外文翻（中文）--电弧炉炼钢过程中超音速聚流氧枪的流体动力学模拟

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1、外文原文：http:/ 中文 9500 字       毕业设计（论文）   外  文  译  文         学     院    冶金与材料工程学院      专业班级      冶金工程              学生姓名             &

2、nbsp;            学     号                                1  文献出处： METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS B, 2010, 41B(6): 1354-1367. 电弧炉炼钢过程中超音速聚流氧枪的流体动力学模拟  MORSHED ALA

3、M, JAMAL NASER, GEOFFREY BROOKS, and ANDREA FONTANA 摘要： 超音速的气体 射流 现在广泛应用于电弧炉炼钢 ， 其他许多工业 用来 增加气液混合 ， 反应速率和能量效率 。然而，对于超音速聚流氧枪，已有的基本物理研究非常有限。 在本研究中， 超音速射流 流体动力学（ CFD） 在有 火焰 覆盖 环境温度 和 室温 中 的实验数据 进行 验证。 数值结果表明 ，超音速氧、氮的射流在火焰覆盖的潜在的核心长度分别比无火焰覆盖的超过 4 倍和 3 倍，这是与实验数据相吻合。使用火焰笼罩的超音速射流相比常规的超音 速射流的扩展率显着下降。本 CFD 模型

4、被用于在大约 1700K（ 1427）炼钢条件下研究连续超音速氧气射流的特性。连续超音速氧气射流在炼钢条件的潜在的核心长度是在室温环境温度的 1.4 倍。  1 引言  在碱性氧气转炉和电弧炉炼钢中，高速气体射流被广泛使用于熔炉中提纯铁液和搅拌溶液。由于动高压与其联合使之具有更高更深的穿透力和能够更好的融合，所以超音速气体射流优于亚音速气流。拉法儿喷嘴在炼钢中过去常被用来加快气体射流使之接近马赫数 2.0 的超音速速度 1。当一个超音速射流从拉法儿喷嘴喷出时，它便于周围的环境相互作用 产生一个湍流混合的区域。在与喷嘴距离加大的过程中，射流直径会增加，射流速度会减缓。在吹氧期

5、间，液面与喷嘴出口之间的距离越大，周围流体的夹带越多，反过来又降低了冲击速度以及渗透液面的深度。 所以 ，小的气 -液界面面积 使 炉内气体和液体的混合 度降低 ， 这也降低了反应速率 。 因此，喷嘴靠近液体的表面是理想的位置。此方法的缺点是炉渣 /金属液滴对喷枪尖粘附，导致其寿命的缩短 2, 3。为了克服该问题，连续射流技术被引入在电弧炉炼钢过程中是在上个世纪末 4, 5。连贯射流的制备是由火焰覆盖传统超音速射流产生的。覆盖所需火焰是 使用燃料和氧化剂生成的。图 1 示出了常规和超音速聚流氧枪的示意图 6。  因为火焰覆盖，所以周围的气体带入超音速射流的夹质降低，导致超音速射流的更

6、高的潜在核心长度（该长度最长可达其轴向射流速度相当于对该喷嘴的出口速度）。超音速聚流氧枪较长的潜在核心长度使它可以远离液体表面安装的喷嘴。在现代电弧炉中，在熔化期间充满的氧气和燃料的燃烧，增加了工艺的效率 7。其同时声称，其在炉壁产生的飞溅小于常规超音速射流产生的 8。虽然在过去的 10 年中，钢铁行业一直在使用超音速聚流氧枪，但关于超音速聚流氧枪有限的研究工作已经 完成。 Anderson 等人 5首先开展超音速聚流氧枪的实验研究。 最近， Mahoney9研究了覆 盖燃料和 氧气流量对超音速聚流氧枪 的潜在核心长度的影响。 Meidani 等人 10同时进行了使用压缩空气作为覆盖气体的超音

7、速射流实验研究。在他们的研究中，没有燃烧的火焰包围了主体超音速2  射流。对实验结果的分析，覆盖火焰的超音速射流的一些数值 7, 11, 12在文献中可用，但大多数 7,11没有得到证实。通过 Jeong 等人 12进行的数值模拟，预测的超音速射流的潜在核心长度一致。在本研究中，通过流体动力学（ CFD）的分析，在室温环境进行有和没有火焰覆盖的超音速射流的模拟。 CFD 的计算结果与实验数据吻合良好。 5 为了更清楚地 了解技术的工作原理，所以对超音速聚流氧枪的主要特征进行了研究。然后该CFD 模型被用于研究在炼钢条件下超音速聚流氧枪的特征。   图 1 （ a）常规射流及

8、（ b）超音速聚流氧枪射流的原理图 6 2 数值分析  2.1 控制方程  不稳定 RANS 方程 13被用来进行数值模拟。平均质量，动量和能量方程可以写成一个保守的形式。  质量守恒方程可以表示如下：  iiU+ = 0tX                              （ 1）  其中 是流体的密度和 Ui 为在第 i 个方向上的平均流速。  动量守恒方程可以表示如下：   i + = - i j i jijj i juuUUU Pt X X X            （ 2）  23jikij ijj i kUUUX X X 其中 P 是流体压力， ij 为粘性应力， ui 和 uj 是在第 i 个和第 j 个方向上的脉动速度分量，l 是分子粘度， ij 为克罗内克 （ ij= 1，如果 i = j 时和 ij=0，如果 i j）。  雷诺应力是根据以下的 Boussinesq 近似模型 13：