【文章內容簡介】 用分離式求解器與一個隱含的方 法計算壓力，速度，溫度和密度來解決非定常，可壓縮連續(xù)性，動量和能量方程。對于連續(xù)性動量方程，利用一個高階準確的總變量遞減的 AVLSMART 方案計算在池面上的值 [20]。 AVLSMART 方案是 Gaskell 和 Lau 提出的 SMART 方案的修改 [21]。對于能源和紊流方程，使用一階迎風差分格式。壓力速度校正是通過使用 SIMPLE 算法完成的。 [22]以超前的解決方案的時候，一階歐拉法 [20]使用了。作為流的速度很高，在非定常計算中使用的時間步長為 191055 秒。該模擬是假設融合時的流動變量（壓力，流速，溫度等）的歸 一化殘差下拉由 4 個數(shù)量級。模擬進行了利用商業(yè) CFD 軟件 AVL ，這是基于控制體積方法。 網格獨立性試驗 研究了溶液的網格的靈敏度，是用帶下面的不同網格的水平計算的相干超音速氧氣射流：粗網格（ 20,100 個細胞），中網格（ 28,000 個細胞），細格柵（ 39,000 個細胞）。對所有網格的水平軸向速度分布示于圖 4。用粗和中等水平格計算的軸向速度分布的變化的平均百分比小于 3 厘，隨著 X 的區(qū)域之間 6pct 的最大偏差 40 和 60。變化的平均百分比，計算通過平均在軸向方向上的多個位置的差異。介質和 細網格的水平之間的差異是可以忽略的（小于 1 厘）。因此，可以說，該解決方案是不向電網敏感。所需的精細網格級的計算時間為約兩倍的介質格的水平。因此，與介質網格得到的結果被用于分析和討論在本研究中。 圖 4 采用粗，中，細格柵的水平覆蓋氧氣射流中心線軸向速度分布 8 3 結果與討論 速度分布 圖 5 顯示了超音速氧氣射流在室溫中有和沒有火焰覆蓋的速度分布。對于這兩種情況下，中間的線顯示剛剛從拉瓦爾噴管口射出后的射流速度是反復波動。超音速射流膨脹就會出現(xiàn)這種不正確的情況。因為噴嘴出口壓力是目前的研究中的環(huán)境壓 力的大約 倍，該輕度膨脹射流 [23]。覆蓋火焰的超音速氧氣射流的潛在核心長度比沒有覆蓋火焰的長四倍以上。 傳統(tǒng)的氧射流，經過 10 個噴嘴出口直徑的噴嘴出口平面 后 速度逐漸降低。 籠罩流注和隨后的燃燒影響主噴射中的壓縮和膨脹波結構。覆蓋燃燒火焰連續(xù)射流是湍流混合層的生長速率的降低原因，這已在第 IIIC 描述了的。 Papamoschou 和Roshko[24]表明，當周圍環(huán)境密度與噴射密度的比值減小時，湍流混合層的生長速率降低。如圖 6 中，燃燒火焰造成低密度區(qū)域圍繞超音速氧氣射流，從而降低了湍流的混合區(qū)域的生長速度。 其結果是，在覆蓋射流擴散比常規(guī)射流緩慢。 圖 5 有和沒有覆蓋火焰的超音速氧氣射流在中心線軸向速度分布 9 圖 6 對于被覆蓋的氧氣射流密度的 CFD 模型 CFD 的結果與常規(guī)射流的實驗結果 [5]一致。對于覆蓋噴射， CFD 模型預計連續(xù)區(qū)域的軸向速度超過 6%。 所計算的射流速度顯示 連 續(xù) 區(qū)域后 的比 實驗速度擴散快速。 在 CFD結果顯示噴嘴出口直徑大于 70 的，與實驗速度一致。連續(xù)區(qū)域后迅速擴散的原因可能是由于用一個個參與燃燒的所有不同的物質的總擴散系數(shù)。另一個原因可能是在燃燒建模時，一步法燃燒反應的假設，在實際情況中，這種反應有幾個步驟。在約 1500 度（ 1227℃）的高溫，二氧化碳會分解成一氧化碳和氧氣 [13]。射流的周圍的氧與一氧化碳發(fā)生反應，這也降低了湍流混合層的生長速度。 數(shù)值和實驗研究之間的差異也可能 是由于過程中所涉及的數(shù)字是不確定性的。不確定性的可能的來源表示如下： （ a）在模擬中中使用的湍流模型。本文作者 [15]在這里修正的 kε 模型是對于在煉鋼溫度下沒有涉及燃燒的超音速氣體射流模擬的開發(fā)。 模擬紊流燃燒流時這種修正的 kε模型可能會導致流速和火焰溫度的預計的一些不確定性。 Jones 和 Whitelaw[25]報道，測得一些出入，并預測在計算湍流燃燒流動的速度場和溫度等值線時采用標準 kε型。 （ b）離散偏微分方程。通過努力，使用細網格，可以克服這種錯誤。 （ c）用差分格式求解 RANS 方程。這些差分格式 會在溶液中引入數(shù)值擴散誤差。如前所述， AVLSMART 被用來在連續(xù)性動量方程中減少數(shù)值擴散誤差。 10 圖 5 還顯示了超音速連續(xù)氧氣射流在煉鋼條件下的軸向速度分布。在這項研究中，我們只考慮 1700 K（ 1427℃）的空氣作為煉鋼條件。在現(xiàn)實中，爐內環(huán)境包含 CO， CO2，O 2， H2， 2和其它一些微量物質。 這種增加是因為超音速射流氣體周圍燃燒火焰的密度環(huán)境大大 小于 煉鋼條件 下的 。 因此，噴射擴散，因為低密度比例更慢于煉鋼的條件。沒有實驗數(shù)據是在文獻中對于相干噴射在煉鋼溫度下使用，因為它是難以在這樣高的溫度下進行實驗研究。圖 7 示出具有和不具有火焰籠罩在室內環(huán)境溫度的氮超音速射流的速度分布。籠罩氮氣射流的潛在核心長度比傳統(tǒng)的氮氣射流更長的三倍以上。在 CFD 結果中覆蓋氮氣射流，平均只有 6%偏差，與實驗數(shù)據一致。從圖 5 和 7，很明顯，通過使用覆蓋火焰，高超音速氧氣射流與超音速氮氣射流相比，潛在的核心長度增加。 這后面觀察法 是在下一節(jié)中描述 中 解釋。 圖 7 有和沒有覆蓋火焰的超音速氮氣射流在中心 線軸向速度分布 圖 8 顯示了超音速氧和有和沒有籠罩燃燒火焰氮氣射流的無量綱半噴射寬度。 39。39。半射流寬度 39。39。指的徑向距離從射流中心線所在的射流的速度變成一半的軸向速度。該圖表明，射流的半寬度是類似的常規(guī)的氮氣和氧氣射流。在這之后，開始增加在更高的速度。這樣做的原因只是從噴嘴出口后迅速增加射流寬度是在中心 O2射流的周圍的額外燃燒。因為在燃燒時，氣體的密度低于這個區(qū)域，這反過來又加速了氣體混合物在射流外圍等于超音速噴流的速度，并導致射流寬度的距離拉伐爾噴嘴的出口之后的增加。為超音速籠罩氮氣射流，該射流寬度緩慢增加至 X/De=32，然后增加在更高的速度。 射流寬度增加速度也可以被定義為在射流的擴散速率，這可以表示如下 [26]： 120prSXX? ? （ 13） 圖 8 示出了通過使用覆蓋燃燒火焰來制射流的擴散。換句話說，在覆蓋燃燒火焰大大降低了環(huán)境流體進入中央超音速氧氣射流的夾雜。 該圖還顯示出在恒定的速率擴散 ，四種不同的射流的潛在核心長度。 四種情況中該擴散率是 ，這與一個自由湍流射11 流擴散率為 的理論非常一致 [26]。這是因為潛在核心區(qū) 域之后的流動變成完全湍流和作為一個自由湍流射流是用于所有情況的。 圖 8 有和沒有火焰覆蓋超音速氧氣和氮氣噴射一半射流的寬度 溫度分布 圖 9 示出覆蓋燃燒火焰超音速氧和氮射流的靜態(tài)軸向溫度分布。超音速射流從拉瓦爾噴嘴流出后的溫度出現(xiàn)了一些波動，在火焰末端位置迅速增大到最大值，然后緩慢降低至室溫。究其原因，氧氣和氮氣射流的靜態(tài)溫度的差異是從拉瓦爾噴嘴射出后，相似臨界溫度的兩個噴嘴。在同一溫度停滯下不同的氣體導致不同的靜態(tài)溫度。 Sumi 等人 [27] 還觀察到在他們的實驗研究相似軸向靜的溫度分布。此分布是最有可能的 ，因為在連續(xù)中心射流是混合在由燃燒火焰產生的熱周圍大氣中的，并