连铸结晶器水模型内含气率分布的数值模拟

刘崇林，张 涛，罗志国，李鸿亮，邹宗树

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

连铸结晶器水模型内含气率分布的数值模拟

刘崇林，张 涛，罗志国，李鸿亮，邹宗树

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

针对连铸结晶器的水模型内含气率分布问题，采用准单相模型模拟了不同气泡直径、不同水流量和不同吹气量对含气率的分布的影响.结果表明，含气率分布总体外貌呈“蒜头状”，气泡直径和水流量对含气率的分布范围影响较大且随气泡直径减小或水流量的增加含气率分布范围增大，而吹气量的影响不显著.通过与实验结果对比，验证了研究方法的正确性.

连铸结晶器;数值模拟;准单相模型;含气率

在连铸过程中，为了防止水口堵塞，往水口中注入氩气是一种很常用的手段.近几十年来，国内外的学者们对吹氩条件下结晶器内的气液流动做了大量研究工作［1～11］，但只有少部分工作［8］研究了含气率分布情况.而含气率是表征气液流动特性的一个很重要的参数，为了更为精确地模拟结晶器内的气液流动，含气率分布的研究是很有必要的.

本研究以某厂结晶器的水模型为对象，采用准单相模型，模拟了气泡直径、水流量和吹气量对含气率分布的影响.

1 数学模型建立

1.1 流体控制方程

连续性方程

式中，ρ是密度;u是速度.动量守恒方程

式中，μe是流体的有效黏度;p为压强.

湍流方程

式中，Gk为由平均速度梯度产生的湍动能;C1，C2为常数，σk，σε分别为 κ，ε的湍流普朗特常数.

准单相模型

准单相模型把气液流视为一个流体，其密度为:

式中，α为气相体积含气率.

气泡在均相流体中的弥散通过该流体的湍流运输及扩散实现，此过程由对流－扩散方程式(6)来描述.

式中，ug，i为气泡速度，m/s;其中ug，x=ux，ug，y= uy，ug，z=uz+us.

us是假设气泡进入计算域后，在垂直方向达到其相对于液相的稳态最终速度，由水中单个气泡上浮终速经验式确定［12］:

式中a0=－8.373，a1=－2.6306，a2=－0.25.

准单相模型方程是基于FLUENT平台通过编制自定义函数来实现的，其中未考虑气泡聚集这一个过程对含气率的影响.

1.2 数学模型边界条件

以某厂的结晶器为原型，按0.6∶1的比例建立水模型，水模型的建立以及相关参数的选择详见文献［12］.

液相的边界条件:入口处设为速度入口边界条件;弯月面处设为对称边界条件;出口处设为压力出口边界条件;墙壁处设为无滑移表面.

气相边界条件:入口处的气体体积分数设为1.2%～3.3%;弯月面处以及下端出口处气体体积分数的标量梯度设为0;墙壁处的气体体积分数数值设为0.

2 结果分析与讨论

2.1 气泡直径对含气率的影响

图1显示了水流量为2.54 m3/h，吹气量为0.06 m3/h，水口浸入深度为108 mm，模拟气泡直径分别为3、1和0.5 mm时流场中含气率的分布情况.由图可知含气率分布总体外貌呈“蒜头状”，具体表现为:在水口内含气率比较高且分布比较均匀;在结晶器内，含气率分布沿水口向窄边方向延伸且数值逐渐减小.

气泡尺寸对含气率的分布有显著影响，具体表现为:当气泡直径为3 mm时，在结晶器内含气率集中分布在水口外侧区域;当直径减小到1 mm时，含气率分布区域延伸到水口至距窄面2/3距离处，直径减小到0.5 mm时，含气率分布区域延伸到窄边.

图1 气泡直径对含气率的影响Fig.1 The effect of bubble diameter on void fraction(a)—d=3 mm;(b)—d=1 mm;(c)—d=0.5 mm

2.2 水流量对含气率的影响

图2显示了吹气量为0.06 m3/h，水口浸入深度为108 mm，气泡直径为1 mm，模拟水流量分别为1.90、2.54、3.14 m3/h时流场中含气率的分布情况.由图2可以看出，在水口内，随着水流量的增大含气率数值减小;在结晶器内，随着水流量的增大，含气率分布范围明显由水口向窄边延伸.

图2 水流量对含气率的影响Fig.2 The effect of water flow rate on void fraction(a)—1.90 m3/h;(b)—2.54 m3/h;(c)—3.14 m3/h

2.3 吹气量对含气率的影响

图3显示了水流量为2.54 m3/h，水口浸入深度为108 mm，气泡直径为1 mm，模拟吹气量分别为0.037、0.06及0.074 m3/h时流场中含气率的分布情况.由图可以发现，吹气量逐渐增大时，水口内和结晶器内的含气率数值都有明显增加，而其分布范围略有增加.

图3 吹气量对含气率的影响Fig.3 The effect of gas flow rate on void fraction(a)—Ql=0.037 m3/h;(b)—Ql=0.06 m3/h;(c)—Ql=0.074 m3/h

2.4 准单相模型的验证

图4显示了水流量为2.54 m3/h，吹气量为0.06 m3/h，水口浸入深度为108 mm，气泡直径为1 mm时的数值模拟结果与相同条件下物理实验所统计的第一位置上的含气率分布相比较.由图可知，数值模拟与物理实验的结果能够大致吻合，由于物理实验中激光照射层有一定厚度，在此厚度层中气泡分布还是有一定程度叠加，所以实验结果略大于模拟结果.同时，对于实验结果中靠近水口区域的液面附近含气率突然变大，这是由于在物理实验中气泡会发生聚集现象而本数值模拟无法模拟气泡聚集这一过程，故造成物理实验与数值模拟结果有所不同.

图4 数值模拟与物理实验的含气率分布［12］Fig.4 Distribution of void fraction of numerical simulation and physical simulation

3 结论

(1)含气率分布总体外貌呈“蒜头状”，具体表现为:在水口内含气率比较高且分布比较均匀;在结晶器内，含气率分布由沿水口向窄边方向延伸，且数值逐渐减小.

(2)当气泡直径为3 mm时，在结晶器内含气率集中分布在水口外侧区域;当直径减小到1 mm时，含气率分布区域延伸到水口至距窄面2/3距离处;当直径减小到0.5 mm时，含气率分布区域延伸到窄边.

(3)在水口内，随着水流量的增大，含气率数值减小;在结晶器内，随着水流量的增大，含气率分布范围明显由水口向窄边延伸.

(4)吹气量增大时，水口内和结晶器内的含气率数值都有明显增加，而其分布范围变化不明显.

(5)数值模拟与物理实验的结果大致能吻合.

［1］Zhang L，Thomas B G.State of the art in evaluation and control of steel cleanliness［J］.ISIJ International，2003，43 (3):271－291.

［2］Thomas B G，Huang G X，Sussman R C，et al.Simulation of argon gas flow effects in a continuous slab caster［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，1994，25B(4): 527－547.

［3］Thomas B G.Behavior of argon bubbles during continuous casting of steel［C］//Steelmaking conference proceedings.1997:375－384.

［4］Thomas B G.Modelingforcastingand solidification processing［M］.New York:Yu O and Marcel Dekker Editor，2001.

［5］Zhang L，Thomas B G.State of the art in evaluation and control of steel cleanliness［J］.ISIJ International，2003，43 (3):271－291.

［6］Pfeiler C，Wu M，Ludwig A.Influence of argon gas bubbles and non－metallic inclusions on the flow behavior in steel continuous casting［J］. Materials Science and Engineering，2005，A413－414(15):115－120.

［7］Noriko Kubo，Toshio Ishii，Jun Kubota，et al.Two－phase flow numerical simulation of molten steel and argon gas in a continuous casting mold［J］.ISIJ International，2002，42 (11):1251－1258.

［8］Nagayasu，Bessho，Ryoji Y，et al.Numerical analysis of fluid flow in continuous casting mold by bubble dispersion Mode［J］.ISIJ International，1991，31(2):40－48.

［9］Singh Vikas，Dash S K，Sunitha J S，et al.Experimental simulation and mathematical modeling of air bubble movement in slab caster mold［J］.ISIJ International，2006，46(2):210－218.

［10］陈登福，张献光，张立峰，等.板坯连铸结晶器内氩气泡行为的模拟研究［J］.钢铁，2010(04):20－25.

(Chen Deng－fu，Zhang Xian－guang，Zhang Li－feng，et al.Simulation on the behavior of argon bubbles in slab continuous casting mold［J］.Iron＆Steel，2010(04):20－25.)

［11］Peleger D，Becker S.Modeling and simulation of the dynamic flow behavior in a bubble column［J］.Chemical Engineering Science，2001，56(4):1737－1747.

［12］刘崇林，罗志国，邹宗树，等.连铸吹氩板坯结晶器气泡分布的水模型分层研究［C］//第十六届冶金反应工程学会议论文集.河北唐山:河北联合大学，2012:567－572.

(Liu Chong－lin，Luo Zhi－guo，Zou Zong－shu，et al.Layering research on bubble distribution of water model in a continuous casting mold［C］//The Sixteenth metallurgical reaction engineeringconferenceproceedings.Tangshan: Hebei Union University 2012:567－572.)

Numerical simulation for distribution of void fraction in water model of continuous casting mold

Liu Chonglin，Zhang Tao，Luo Zhiguo，Li Hongliang，Zou Zongshu
(School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

According to the distribution of void fraction in water model of continuous casting mold，the influences of bubble size，water flow rate，and air flow rate on distribution of void fraction were studied by quasi singlephase model.The results indicated the distribution of void fraction generally shows a“garlic shape”.Both of the bubble diameter and the water flow rate have great influence on the distribution range of void fraction.And the distribution range of void fraction increases with increment of water flow rate or decrement of bubble diameter.And the gas flow rate has little effect on the distribution range of void fraction.Through the experiment results，the effectiveness of the authors’model is verified.

continuous casting model;numerical simulation;quasi single－phase;void fraction

TF 777

A

1671-6620(2013)01-0023-04

2012-11-13.

刘崇林 (1983—)，男，东北大学博士研究生，E－mail:liuchonglin2003@163.com;邹宗树 (1958—)，男，东北大学教授，博士生导师.