（外文翻译）电弧炉炼钢过程中超音速聚流氧枪的流体动力学模拟（译文）

在实验研究中，和通过布置在两个同心环围绕主喷管组成孔注入如图所示。

孔内圈用于气体和孔外环供氧。

通和孔直径分别为米和米。

在本研究中，用于注射和喷嘴是假定为环形，它不同于真实喷嘴。

然而，注入区域进行调整，以保持已在实验研究中和相同流速。

这个假设可以解决两个方面问题。

图计算区域与边界条件图超音速射流喷嘴剖面图和主视图边界条件所有边界条件，都选择符合与安德森等实验研究个驻点压力边界条件用于计算域主射流入口收敛发散喷嘴出口。

马赫数和温度值被界定在超音速射流入口。

对于和覆盖进口要使用质量流量边界条件。

因为二维计算域夹角为度，所以原来质量流量除以。

在出口处，采用了静压边界条件。

对于对称平面中，使用对称边界条件。

在固体壁上，施加个无滑移边界条件。

中央超音速氧气射流边界条件值如表。

当中央变成超音速氮气射流时，只有超音速射流入口边界条件从氧变为氮，其余部分保持不变。

虽然不同气体在类似停滞条件下会导致不同静压力和温度是已知，但我们还是使用了在类似停滞条件氮和氧射流，以匹配与实验研究。

表边界条件边界名称边界条件类型数值滞压超音速射流入口马赫数总温度质量分数燃料入口质量流量质量分数覆盖氧气入口质量流量质量分数出口静压力质量分数壁面无滑移计算程序采用分离式求解器与个隐含方法计算压力，速度，温度和密度来解决非定常，可压缩连续性，动量和能量方程。

对于连续性动量方程，利用个高阶准确总变量递减方案计算在池面上值。

方案是和提出方案修改。

对于能源和紊流方程，使用阶迎风差分格式。

压力速度校正是通过使用值由下面公式来确定其中为温度梯度通过标准化长度比例和η考虑了压缩性效应。

方程改取决于在剪切层温度梯度值。

燃烧模拟在本研究中所用燃料和氧化剂分别为和。

和分别用作中心超音速聚流氧枪。

在本研究中认为和之间是单步完全燃烧反应。

燃烧产物是和。

然而在实际中，在高温下，和分解导致次要产物如和起与主反应产物和燃烧产物生成。

分解反应是吸热，因此，实际火焰温度会比根据完全燃烧反应所计算出火焰温度低。

但单步完全燃烧反应这假设使计算简单及减少了计算时间。

燃烧反应方程式表示如下参与反应物质质量分数是通过求解每个物质单独方程，其可以写成下面形式中文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学号文献出处电弧炉炼钢过程中超音速聚流氧枪流体动力学模拟，摘要超音速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在有火焰覆盖环境温度和室温中实验数据进行验证。

数值结果表明，超音速氧氮射流在火焰覆盖潜在核心长度分别比无火焰覆盖超过倍和倍，这是与实验数据相吻合。

使用火焰笼罩超音速射流相比常规超音速射流扩展率显着下降。

本模型被用于在大约炼钢条件下研究连续超音速氧气射流特性。

连续超音速氧气射流在炼钢条件潜在核心长度是在室温环境温度倍。

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穿透力和能够更好融合，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超音速速度。

当个超音速射流从拉法儿喷嘴喷出时，它便于周围环境相互作用产生个湍流混合区域。

在与喷嘴距离加大过程中，射流直径会增加，射流速度会减缓。

在吹氧期间，液面与喷嘴出口之间距离越大，周围流体夹带越多，反过来又降低了冲击速度以及渗透液面深度。

所以，小气液界面面积使炉内气体和液体混合度降低，这也降低了反应速率。

因此，喷嘴靠近液体表面是理想位置。

此方法缺点是炉渣金属液滴对喷枪尖粘附，导致其寿命缩短，。

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，。

连贯射流制备是由火焰覆盖传统超音速射流产生。

覆盖所需火焰是使用燃料和氧化剂生成。

图示出了常规和超音速聚流氧枪示意图。

因为火焰覆盖，所以周围气体带入超音速射流夹质降低，导致超音速射流更高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出口速度。

超音速聚流氧枪较长潜在核心长度使它可以远离液体表面安装喷嘴。

在现代电弧炉中，在熔化期间充满氧气和燃料燃烧，增加了工艺效率。

其同时声称，其在炉壁产生飞溅小于常规超音速射流产生。

虽然在过去年中，钢铁行业直在使用超音速聚流氧枪，但关于超音速聚流氧枪有限研究工作已经完成。

等人首先开展超音速聚流氧枪实验研究。

最近，研究了覆盖燃料和氧气流量对超音速聚流氧枪潜在核心长度影响。

等人同时进行了使用压缩空气作为覆盖气体超音速射流实验研究。

在他们研究中，没有燃烧火焰包围了主体超音速射流。

对实验结果分析，覆盖火焰超音速射流些数值在文献中可用，但大多数，没有得到证实。

通过等人进行数值模拟，预测超音速射流潜在核心长度致。

在本研究中，通过流体动力学分析，在室温环境进行有和没有火焰覆盖超音速射流模拟。

计算结果与实验数据吻合良好。

为了更清楚地了解技术工作原理，所以对超音速聚流氧枪主要特征进行了研究。

然后该模型被用于研究在炼钢条件下超音速聚流氧枪特征。

图常规射流及超音速聚流氧枪射流原理图数值分析控制方程不稳定方程被用来进行数值模拟。

平均质量，动量和能量方程可以写成个保守形式。

质量守恒方程可以表示如下其中是流体密度和为在第个方向上平均流速。

动量守恒方程可以表示如下其中是流体压力，η为粘性应力，和是在第个和第个方向上脉动速度分量，是分子粘度，为克罗内克，如果时和，如果≠。

雷诺应力是根据以下近似模型湍流粘度和是湍流动能。

湍流粘度和湍流动能模拟将在后面描述。

能量守恒方程可以表示如下其中，是总焓，为热导率，是湍流普朗特数，和是能量燃烧和辐射内部来源。

湍流普朗特数最常用值是，它是满足于低超音速速度和低热导率无冲击流。

对于自由剪切流动和传热问题推荐使用。

因此，被用于这项研究。

这个修改是为了考虑温度梯度对湍流混合区影响。

在型，湍流动能和扩散率ε分别从以下传递方程得到其中ε，ε和ε对常数ε型，和它们值分别是，和。

湍流粘度定义如下值由下面公式来确定其中为温度梯度通过标准化长度比例和η考虑了压缩性效应。

方程改取决于在剪切层温度梯度值。

燃烧模拟在本研究中所用燃料和氧化剂分别为和。

和分别用作中心超音速聚流氧枪。

在本研究中认为和之间是单步完全燃烧反应。

燃烧产物是和。

然而在实际中，在高温下，和分解导致次要产物如和起与主反应产物和燃烧产物生成。

分解反应是吸热，因此，实际火焰温度会比根据完全燃烧反应所计算出火焰温度低。

但单步完全燃烧反应这假设使计算简单及减少了计算时间。

燃烧反应方程式表示如下参与反应物质质量分数是通过求解每个物质单独方程，其可以写成下面形式其中质量分数，为层流扩散系数，和是物质源项。

在本研究中，该气体混合物所有物质被假设为单个扩散系数即，其中，其中是物质数量。

计算混合气体层流扩散系数施密特数。

当气流是高度可压缩，层流扩散系数将对物质扩散影响可以忽略不计。

湍流扩散系数影响不同物质在流场中扩散。

湍流扩散系数是通过由湍流施密特数确定气体混合物湍流粘度来确定。

因此，它表明，反应中涉及所有物质总扩散系数是相同。

物质传输方程源项是产生还原该特定物质速率。

其中是燃油消耗容积率。

和是该模型常数，为化学计量比。

其中，和分别是燃料，氧气和燃烧产物质量分数。

涡流分离模型是个很好预测，是用计算非常简单就实现了在涡流分离模型，燃油消耗率规定为本地流量和热力学性质函数。

根据这个模型，燃烧速率是含有反应物和那些含有热产物互混漩涡分子水平速率来确定，换句话说，它是由这些漩涡消散速率决定。

该模型计算出燃料，氧和产品单个耗散率，实际消耗速率等于三个中最慢耗散率所示公式。

方程式括号内前两项。

简单地判定燃料或氧是否存在于限制数量，而第三项可确保火焰不会蔓延在没有热产物。

在本研究中，与是基于以前研究中使用过。

从燃烧反应看出燃料和氧化剂化学计量比为时，表示千克甲烷完全燃烧，必需要公斤氧。

因此，氧气消耗速率是燃料倍。

燃料消耗量体积率是通过使用方程式计，算出每个个体。

再乘以该特定燃料燃烧热，然后再新增为源项到能量方程来计算温度。

辐射模拟当温度超过度。

系统辐射换热变得很重要。

这里，燃烧温度约为度，因此，辐射传热需要考虑。

使用以