氧枪喷头冷却水流动特性的数值模拟.pdf

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1、华南理工大学学报（自然科学版）第3l卷第5期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.3lNo.52003年5月（NaturalScienceEdition）May2003!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：l000-565X（2003）05-0043-04氧枪喷头冷却水流动特性的数值模拟麻向军（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东广州5l0640）摘要：采用紊流的!!"模型研究紊流流动现象，利用通

2、度系数法处理计算域中的非直边界，对某钢铁公司氧枪喷头中冷却水的流动特性进行了模拟.结果表明，现用喷头由于兜水板设计不合理，在喷头端面中心区存在死区而不能进行有效冷却.文中对兜水板的结构进行了优化.模拟计算表明，优化后的喷头可确保冷却水以高速流遍整个喷头端面，达到对喷头端面有效冷却的目的.关键词：氧气转炉炼钢；氧枪喷头；兜水板；冷却水流动；数值模拟中图分类号：TF724文献标识码：A纯铜氧枪喷头是转炉炼钢用氧枪的主要部件.为例，采用数值模拟方法对喷头冷却水的流动特性围绕着炼钢工艺所需要的射流特性，人们对喷头的进行了研究，并对兜水板的结构进行了优化.喷氧孔孔型、尺

3、寸、数量及其在喷头端面上的布置方式进行了较系统的研究［l，2］.但是，喷头在吹炼期间l数学模型及计算方法要承受炉内钢液的热辐射和渣流以及金属液滴的冲l.l喷头结构刷，其端面承受很高的热负荷.以热电偶进行的实际测定表明，其端面和侧面的热流密度分别达0.9l.42和0.6l.lMW/m2［3］，因此，必须对喷头进MW/m行有效冷却，否则喷头在使用过程中会发生热变形，造成喷射流量下降，诸股射流掺混显著，并伴随射流速度的降低，甚至喷头很快被烧坏［4］.为此，喷头设计中必须控制冷却水流，确保冷却水对喷头端面进行有效的冷却.设置结构适宜的兜水板是合理组织水流、防止喷头变形

4、或烧坏的关键措施.美国、英国和前苏联等国家的一些钢铁公司采用物理模拟的方法研究了喷头兜水板的结构，得到了适宜的兜水板结构，使喷头的寿命提高到原有寿命的l.5倍以上［3，5，6］.但是，物理模拟只能针对特定的喷头进行研究，所得出的结论通用性较差.目前在我国，人们对于喷头兜水板的重要性认识不足，其设计大多凭经验进行.本研究中，笔者以某钢铁公司的氧枪喷头图l氧枪喷头结构示意图Fig.lSketchofoxygenlance’sstructure收稿日期：2002-07-l7图l是某钢铁公司用于45t氧气顶吹转炉的喷作者简介：麻向军（l966-），男，副教授，博士，主

5、要从事材头的结构示意图.该喷头有3个喷氧孔，采用铸造方料加工过程CAD/CAE研究.法制成，材质为纯铜.氧气体积流量为ll000m3/h，44华南理工大学学报（自然科学版）第3l卷冷却水质量流量为350t/h.实际使用中，大多数喷l.3模型的求解头在端面中心区（通过各喷氧孔中心所作圆的圆周采用控制容积法对控制方程进行离散和求解.内）发生漏水.模拟计算中采用非均匀剖分网格，流场的求解采用l.2数学模型以压力为基本变量的原始变量法，速度与压力的耦由冷却水流量计算所得的冷却水入口速度为合关系采用交错网格及SIMPLEST算法求解.固体3.5m/s，出口速度为3.73

6、m/s，入口处的雷诺数壁面边界条件的处理采用Prandtl的两层壁面函数Re=56000，故采用工程中广泛使用的高雷诺数紊法.用计算流体动力学商用软件PHOENICS进行流流的K-模型进行数值模拟.其控制方程包括时均场的模拟计算.连续性方程、时均动量方程、紊动能及其耗散率方对于本研究中的喷头而言，兜水板和端面附近结程.为了研究的方便，同时又能反映问题的本质，针构较为复杂，而此区域又是水流速度变化最为剧烈的对图l所示的B-B对称面进行模拟计算.在二维圆区域.为更真实地反映兜水板和端面形状对冷却水流柱坐标系下，控制方程的统一形式可写为动特性的影响，利用PHOENI

7、CS软件中的通度系数法!l!来处理这一复杂流动域.所谓通度系数（Porosity），就（vZ）+（rvr）=!Zr!r是单元中可流通区域在整个区域中所占的比例，包括!（!）+l!（r!）+S（l）体通度系数和面通度系数.体通度系数是指离散单元!Z!Zr!r!r中流体可通过部分的体积占整个单元体积的比例，面式中：为通用变量，当=l，vZ，vr，K，时，控制通度系数则反映单元侧面的流通情况.对于非直边界方程分别代表时均连续性方程、Z方向和r方向的流动域，逐一定义每个边界单元的体通度系数及面通时均动量方程、紊动能及其耗散率方程；为广义度系数以确定其形状.引入通度系数

8、后，离散方程组扩散系数；S为广义源项.