為研究RH真空脫氣過程中的流動(dòng)行為,建立了描述氣泡驅(qū)動(dòng)下的RH 循環(huán)氣2液兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。基于歐拉-歐拉兩流體模型,利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 商業(yè)軟件FLUENT6.0 ,對不同充氣量條件下的循環(huán)流量進(jìn)行了預(yù)測。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明兩者具有較好的一致性。應(yīng)用該模型對充氣壓強(qiáng)與循環(huán)流量、充氣量與上升管內(nèi)氣相及液相速度分布關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬,用以理解其中的流動(dòng)規(guī)律,為工程技術(shù)改進(jìn)提供參考。

　　RH鋼液循環(huán)脫氣裝置是真空精煉中處理量最大、處理效果最好、功能最多、發(fā)展最快的設(shè)備 ,是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)大批量制取純凈鋼材的主要工藝手段,其工作原理見圖1 。上部的精煉室(真空室) 被多級水蒸汽噴射泵抽空形成負(fù)壓,鋼包中的鋼水在大氣壓的作用下進(jìn)入真空室。氬氣由左側(cè)上升管吹入,鋼水在氬氣的驅(qū)動(dòng)下,形成由上升管流入、下降管流出的鋼水循環(huán)過程,完成有害組分(非金屬夾雜物)的分離與排除,有效組分(合金元素、冶煉粉劑) 的混合與均勻。RH 循環(huán)脫氣是基于氬氣驅(qū)動(dòng)的氣-液多相流動(dòng)問題,鋼水的流動(dòng)行為是能否高效獲得高質(zhì)量鋼材的決定性因素。

圖1 　RH 真空精煉裝置工作原理簡圖

　　由于RH真空循環(huán)脫氣過程很難進(jìn)行實(shí)際測定,人們常常采用數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,探討驅(qū)動(dòng)氣體參數(shù)、上升管、下降管幾何參數(shù)等對流動(dòng)過程的影響,為實(shí)際工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)或改進(jìn)方案。近年來,采用數(shù)值模擬技術(shù)研究和分析真空領(lǐng)域中相關(guān)問題開始得到重視,數(shù)值計(jì)算理論不斷完善,數(shù)值模擬能力不斷提高。計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 已經(jīng)可以求解復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱問題,其豐富的可視化預(yù)測結(jié)果,為復(fù)雜流動(dòng)問題的理解和分析提供了極大的幫助,對真空精煉過程的數(shù)值模擬同樣具有重要價(jià)值。現(xiàn)有對RH 真空精煉的理論分析和數(shù)值模擬中多將鋼包和真空室分開來討論,對鋼包內(nèi)鋼水流動(dòng) 、真空室內(nèi)的脫碳反應(yīng)等進(jìn)行模擬。本文將討論吹氬流量和壓力對RH 循環(huán)的影響,為充氣參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1、數(shù)學(xué)模型

　　到目前為止,歐拉-歐拉兩流體模型被認(rèn)為是描述兩相流系統(tǒng)宏觀流動(dòng)的最好方法。本文采用基于歐拉方法的兩流體模型,對RH 循環(huán)流動(dòng)過程進(jìn)行模擬。

1.1、基本假設(shè)

　　(1)流動(dòng)過程為等溫流動(dòng); (2)液相為不可壓縮粘性流體,壁面處無滑移; (3)流動(dòng)狀態(tài)為泡狀流;(4)氣液兩相間的動(dòng)量傳輸以相間作用力為主; (5)同一計(jì)算域內(nèi)兩相的壓強(qiáng)相等。

1.2、質(zhì)量守恒方程

　　等溫條件下兩相之間無質(zhì)量傳遞,兩相流動(dòng)的連續(xù)性方程為:

　　其中,α、ρ和v 分別為氣(液) 含率、密度和速度。下標(biāo)i = l 或g 表示液相或氣相。

1.3、動(dòng)量守恒方程

　　氣、液兩相存在速度梯度,考慮相間相互作用力,兩相流動(dòng)的動(dòng)量方程為:

　　其中, Fi 為總的相間力, g 為重力加速度矢量, P 為壓強(qiáng)。

　　在等溫氣-液兩相流動(dòng)中,表面動(dòng)量傳遞在動(dòng)量方程中起主導(dǎo)作用,本文考慮的相間作用力主要由牽引力、上升力組成:

　　其中, Flg為氣相對液相的動(dòng)量傳遞, Fgl為液相對氣相的動(dòng)量傳遞。

　　牽引力函數(shù)采用Ishii 和Zuber 模型:

　　其中, CD 為牽引系數(shù), aif 為相間表面積濃度(單位體積中的相間面積,與氣泡表面幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)) 。上升力與氣液兩相的相對速度以及流體速度相關(guān),為 :

　　其中, CL 為上升力系數(shù)。

2、數(shù)值模擬

　　按照相似準(zhǔn)則建立幾何模型,為分析和比較方便,本文采用真空技術(shù)網(wǎng)另外一篇文章中給定的RH物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?具體幾何參數(shù)和尺寸見表1。模擬流體為水和氬氣。

表1 　RH 幾何模型的主要幾何尺寸

　　采用非結(jié)構(gòu)化三維六面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格數(shù)量為19077 個(gè)。以FLU2ENT6.0 為計(jì)算平臺,對于真空室,取上升管和下降管入口所在平面為x - y平面, 上升管與下降管圓心聯(lián)線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),垂直于x - y 平面向上為z 軸正向;充氬管管口處為氣相速度入口,氣泡直徑為5mm ,氣含率為1 ;上升管入口處為液相速度入口,液含率為1 ,速率設(shè)定為0.1m·s ^{- 1} ;自由液面處為壓強(qiáng)入口;下降管出口處為壓強(qiáng)出口。對于鋼包,取鋼包底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),鋼包底面所在平面為x - y 平面,z 軸正向向上;與下降管出口相接的圓面為速度入口,速率由真空室出口條件確定;與上升管入口相接的圓面為速度出口;自由液面處為壓強(qiáng)入口。采用標(biāo)準(zhǔn)k - ε模型求解流動(dòng)控制方程,得到RH 真空精煉循環(huán)流動(dòng)的影響因素和相關(guān)流動(dòng)規(guī)律。