【正文】 而新方案中間包內(nèi)溫度分布較均勻，注流區(qū)和出流區(qū)的溫度較均衡，中間。5．4．2 溫度場的計算結(jié)果分析。而流體隨導(dǎo)流管進入兩側(cè)時，由于設(shè)計的管開口向上角度45度，這樣流體首先向液面方向流動，再沿著中間包的上部向兩側(cè)流動，這樣，中間包內(nèi)兩側(cè)也各形成一個回流，中間包內(nèi)鋼液的這種流動可將鋼水中的夾雜物帶向液面，使夾雜物進入表面覆蓋劑中，延長流體在中間包內(nèi)的停留時間，因而非常有利于夾雜物的上浮去去除，從而改善了鋼液的質(zhì)量。而新方案中，可見中間包結(jié)構(gòu)改變后，鋼液的流動狀態(tài)發(fā)生了很大的變化，同前一種方案相比，發(fā)身了明顯的改善。中間包內(nèi)產(chǎn)生這種流動會對鋼液的質(zhì)量帶來不利的影響。而從中間包出水口流出的鋼液一部分是從斜孔注入流直接流出的，有部分流體到達中間包的前后壁面后，再沿著包壁流動，流向中間包出水口，中間包注入流具有較大的卷吸作用，使得注入流區(qū)中間包上面部分的鋼液反向流動，在中間包左右兩側(cè)會形成一個逆時針回流。而且強烈的注流和回流對包壁耐火材料的沖刷也會造成鋼液中外來大顆粒夾雜增加。 原方案中間包水口截面速度場圖 新方案中間包水口截面速度場圖。： 原方案網(wǎng)格劃分圖： 新方案網(wǎng)格劃分圖5．4 流場計算結(jié)果分析 5．4．1 速度場的計算結(jié)果分析，基本上反映了中間包內(nèi)鋼液的流動特征。因為CFD求解器定義了多種不同的邊界，如壁面邊界、進口邊界、對稱邊界等，因此在GAMBIT中需要先指定所使用的求解器名稱，然后，指定網(wǎng)格模型中各邊界的類型。(3) 指定邊界區(qū)域。對于簡單的CFD問題，這個過程只是操作幾次鼠標(biāo)的問題，而對于復(fù)雜的問題，特別是三維問題，這一過程需要精心策劃、細心實施。這個環(huán)節(jié)需要輸入一系列參數(shù)，如單元類型、網(wǎng)格類型以及有關(guān)選項等。(2) 劃分網(wǎng)格。對于二維問題，幾何模型是二維面，對于三維問題，幾何模型是三維實體。無論是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，都需要按下列過程生成網(wǎng)格：(1) 建立幾何模型。因此，有必要對網(wǎng)格生成方式給以足夠的關(guān)注。網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要的影響。(4) 出口條件主要考慮以下幾個條件： ()(5) 溫度條件采用散熱的邊界條件，頂墻為3600W/m2，側(cè)墻為3000W/m2，底墻為1800W/m2。注入時的速度Win=Q/S，u=v=0，Q為體積流量，S為截面積。(3) 入口條件尺寸：根據(jù)過水?dāng)嗝嫔嫌绊懥鲃幼枇Φ闹饕蛩亍麑W(xué)半徑R，將圓形入口換算成方形入口，即保證兩者的過水?dāng)嗝娣e(A)與過水端面的潤濕周長(X)之比相等。但是你必須在解算器之外首先產(chǎn)生初始網(wǎng)格，初始網(wǎng)格可以使用GAMBIT、 Tgrid或者某一具有網(wǎng)格讀入轉(zhuǎn)換器的CAD系統(tǒng)。這種靈活處理網(wǎng)格的特點使我們在選擇網(wǎng)格類型時，可以確定最適合特定應(yīng)用的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)。FLUENT也能夠使用適體網(wǎng)格，塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(比如：FLUENT 4和許多其它的CFD結(jié)算器的網(wǎng)格)。 FLUENT采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以縮短產(chǎn)生網(wǎng)格所需要的時間，簡化了幾何外形的模擬以及網(wǎng)格產(chǎn)生過程。(9) 求解計算。(7) 條件計算控制參數(shù)。(5) 確定流體的材料物性。(4) 選擇求解的方程：層流或湍流，化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。(2) 輸入并檢查網(wǎng)格。(12) 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動問題。(10) 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計算。(8) 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬。(5) 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）(6) 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題。(3) 無黏流，層流及湍流問題。FLUENT軟件的應(yīng)用范圍非常廣泛，主要范圍如下：(1) 可壓縮與不可壓縮流動問題。5．1．2 FLUENT程序可以求解的問題FLUENT軟件可以采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格。 一旦網(wǎng)格被讀入FLUENT，剩下的任務(wù)就是使用解算器進行計算了。我們可以用GAMBIT產(chǎn)生所需的幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格，也可以在已知邊界網(wǎng)格（由GAMBIT或者第三方CAD/CAE軟件產(chǎn)生的）中用Tgrid產(chǎn)生三角網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格或者混合網(wǎng)格，也可能用其他軟件產(chǎn)生FLUENT所需要的網(wǎng)格，比如ANSYS(Swanson Analysis Systems, Inc.)、IDEAS (SDRC)；或者MSC/ARIES,MSC/PATRAN以及MSC/NASTRAN (都是MacNealSchwendler公司的軟件)?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS，IDEAS，NASTRAN，PATRAN等。(4) TGrid——用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。(2) FLUENT——用于進行流動模擬計算的求解器。高級用戶可以通過寫菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面。在FLUENT中，解的計算與顯示可以通過交互界面，菜單界面來完成。因此，動態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的解控制都是可能的。其原因在于：網(wǎng)格細化僅限于那些需要更多網(wǎng)格的解域。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，這一特點很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時間。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動區(qū)域里實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約計算時間。可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。第五章 中間包鋼液流動的數(shù)學(xué)模擬5．1 FLUENT軟件簡介FLUENT是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。4．6 水力學(xué)模型總結(jié)在相似原理的基礎(chǔ)上，建立了中間包水力學(xué)模型，通過刺激——響應(yīng)實驗和錄相過程，研究了改進后的新型結(jié)構(gòu)中間包的冶金性能，經(jīng)過研究、分析，初步得出了以下的結(jié)果：(1) 中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)對夾雜物的去除有直接的影響，新型結(jié)構(gòu)能夠有效地改變中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)，延長夾雜物在中間包內(nèi)的實際停留時間，減小了死區(qū)體積，增加了活化區(qū)體積，起到較好的控流作用，使夾雜物碰撞長大并上浮去除的可能性增加；(2) 由于采用全高擋墻，渣不能流到兩側(cè)的工作區(qū)，始終保持在沖擊板上，減少旋渦卷渣可能性，保證了鋼水的清潔度，提高鋼液質(zhì)量。中間包死區(qū)體積的減小，活化區(qū)體積的增大說明中間包內(nèi)的活性流動增加了，則夾雜物滯留在某處的可能性減小，隨鋼液流動碰撞長大的可能性增強，有利于夾雜物在中間包內(nèi)碰撞長大，形成大顆粒的夾雜物，進而上浮排出。(a)(b)(c)(d)(e)所示：實驗序號響 應(yīng) 時 間最 高 峰平 衡 時 間1號2號3號1號2號3號1號2號3號153262578535310285842542423795555103828335425247953531028483452232282545210186845562223825353103838465425228056541038485753232481545310484838552625795555103858295426228155531028283105524238054541008484 ——電壓值曲線 ——電壓值曲線——電壓值曲線(a)注流區(qū)情況 (b)包內(nèi)情況(c)包內(nèi)情況(d)包內(nèi)情況(e)包內(nèi)情況原 型/s/s/stmin/stmax/s/%138682214632045新型/s/s/stmin/stmax/s/%1284,552822225632255，由表可看出，新方案中間包內(nèi)鋼液流動的實際平均停留時間以及活塞流區(qū)所占的體積分數(shù)都明顯高于原方案中間包。首先將中間包模型的六個定徑水口全部堵住，將大包模型中注滿水，然后打開大包模型的下水口，讓水流入中間包模型中，等液面達到一定高度時，打開中間包模型的六個定徑水口，控制大包模型水口的開度，以使流入中間包的水和流出中間包的水保持動態(tài)平衡，液面穩(wěn)定在一定的高度，在整個實驗過程中保持大包和中間包液面恒定，使中間包流場達到穩(wěn)定。新方案還是用飽和氯化鈉水溶液作為測定電導(dǎo)率的電解質(zhì)示蹤劑，用墨水作為可直接觀察的模型中流體流動狀況的示蹤劑。，——電壓值曲線中有代表性的一組。注意事項：(1) 中間包放置應(yīng)平穩(wěn)，否則會發(fā)生不對稱流動，影響測量效果；(2) 采集數(shù)據(jù)過程中需要隨時調(diào)節(jié)鋼包出水口的流量，保持工作液面高度和流量計讀數(shù)的穩(wěn)定；(3) 電極在使用過程中會逐漸老化，需要在實驗后用濃度為10%的硝酸進行清冼，保持其性能穩(wěn)定；(4) 更換中間包擋墻時，一定要保持擋墻與中間包垂直，以保證擋墻不會變向影響中間包內(nèi)液體的流動。將中間包模型的六個定徑水口全部堵住，將大包模型中注滿水，然后打開大包模型的下水口，讓水流入中間包模型中，等液面達到一定高度時，打開中間包模型的六個定徑水口，控制大包模型水口的開度，以使流入中間包的水和流出中間包的水保持動態(tài)平衡，液面穩(wěn)定在一定的高度，在整個實驗過程中保持大包和中間包液面恒定，使中間包流場達到穩(wěn)定。 4．5 實驗內(nèi)容和實驗結(jié)果首先做方案(1)（稱為原方案）的水模擬實驗，用飽和氯化鈉水溶液作為測定電導(dǎo)率的電解質(zhì)示蹤劑，用墨水作為可直接觀察的模型中流體流動狀況的示蹤劑。(4) 減少殘鋼量。(2) 擋渣，由于采用全高的擋板，渣不能流到兩側(cè)的工作區(qū)，始終保持在沖擊板上。(5)中間包的工作層（內(nèi)襯）采用鎂質(zhì)和鎂鈣質(zhì)干式工作襯，可促進工作襯對鋼水的進化作用，充分發(fā)揮中間包的冶金作用。(3)連鑄完成后，上工作區(qū)低于最后一個孔的鋼液將殘留在中間包內(nèi)，形成冷鋼，而采用新型中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，由于采用了底部分流技術(shù)，將中間包的殘鋼量降到最小值，可進一步提高鋼水的收得率。其工作原理如下：(1)鋼水從鋼包流入中間包后，經(jīng)導(dǎo)流管從中間包底部流入下工作區(qū)，期間鋼水進行攪拌，促進夾雜物在上工作區(qū)的上浮；鋼水由中間包底部經(jīng)分流管流入下工作區(qū)時，鋼流再次攪動鋼液，進一步促進夾雜物在下工作區(qū)內(nèi)的上浮，可進一步凈化鋼液。中間包注流區(qū)設(shè)置一個擋板，用玻璃膠粘牢，保證密封性，擋板上面開孔，用導(dǎo)流管將擋板上的孔和擋墻上的孔連接，并在流出端向上傾斜45度。方案(2)：，換一個新?lián)鯄?，并用玻璃膠站牢，保證密封性。4．3 實驗方案參考國內(nèi)外有關(guān)中間包擋墻的研究和應(yīng)用成果，實驗中設(shè)計了兩種實驗方案做對比。液體通過注流保護管流入中間包，其流量用閘閥控制和調(diào)節(jié)。由Frm=FrR即： ()得速度比： ()流量比： ()平均停留時間比： ()式中，下標(biāo)m代表模型，下標(biāo)R代表實型g ——重力加速度L——特征長度V——流體速度Q——流體流量——流體平均停留時間4．2 實驗裝置為了便于觀察和攝像，實驗所用的中間包模型均采用有機玻璃制成，其內(nèi)設(shè)置多孔擋墻，以及擋板，這些控流裝置也用有機玻璃制成，并用玻璃膠粘牢。對于動力相似要求模型與實型中的流體的雷諾準數(shù)Re和弗魯?shù)聹蕯?shù)Fr分別相等，才能保證動力相似，考慮到在此實驗條件下，模型與實型中的流體流動狀態(tài)均已處于第二自?；瘏^(qū)，因此，該系統(tǒng)的流動狀態(tài)以及流速分布與雷諾準數(shù)Re無關(guān)，只要求保證與重力有關(guān)的弗魯?shù)聹蕯?shù)Fr相等即可達到動力相似。根據(jù)上述三個方程的描述，通過網(wǎng)格離散化并加入邊界條件，利用Cfx、Fluent等軟件對中間包進行實體數(shù)值建模，然后即可對其進行流場和溫度場計算。 方程： ()式中： ()所有上述式中，為經(jīng)驗常數(shù)，其數(shù)值如下： ()湍動能和耗散率可以用一個通式表示： () 對于湍動能 ()對于耗散率 ()取為常數(shù)，在直角坐標(biāo)系下，： ()其中： () 以上方程，反映了粘性流體運動所遵循的基本定律，但求解過程中，由于運動方程式中的壓力梯度項對速度場有很大的影響，為了求得速度場，必須有正確的壓力場，但基本方程組中沒有以壓力為獨立變量的方程，所以壓力場的求解比較困難。(3) 雙方程模型3．2．5 中間包數(shù)值模擬的基本方程鋼液在中間包內(nèi)的流動是一個復(fù)雜的流動過程，描述鋼液在中間包內(nèi)流動的方程有連續(xù)性方程、動量方程即納維爾—斯托克斯(Navier—Stokes)，以及描述湍流模型的雙方程模型。這種網(wǎng)格雖然生成過程比較復(fù)雜，但卻有著極大的適應(yīng)性，尤其對既有復(fù)雜邊界的流場計算問題特別有效。在對指定問題進行CFD計算之前，首先要將計算區(qū)域離散化，即對空間上連續(xù)的計