為研究RH真空脫氣過程中的流動行為,建立了描述氣泡驅動下的RH 循環氣2液兩相流動的數學模型。基于歐拉-歐拉兩流體模型,利用計算流體力學(CFD) 商業軟件FLUENT6.0 ,對不同充氣量條件下的循環流量進行了預測。計算結果與實驗數據的比較表明兩者具有較好的一致性。應用該模型對充氣壓強與循環流量、充氣量與上升管內氣相及液相速度分布關系進行了數值模擬,用以理解其中的流動規律,為工程技術改進提供參考。

　　RH鋼液循環脫氣裝置是真空精煉中處理量最大、處理效果最好、功能最多、發展最快的設備 ,是當前實現大批量制取純凈鋼材的主要工藝手段,其工作原理見圖1 。上部的精煉室(真空室) 被多級水蒸汽噴射泵抽空形成負壓,鋼包中的鋼水在大氣壓的作用下進入真空室。氬氣由左側上升管吹入,鋼水在氬氣的驅動下,形成由上升管流入、下降管流出的鋼水循環過程,完成有害組分(非金屬夾雜物)的分離與排除,有效組分(合金元素、冶煉粉劑) 的混合與均勻。RH 循環脫氣是基于氬氣驅動的氣-液多相流動問題,鋼水的流動行為是能否高效獲得高質量鋼材的決定性因素。

圖1 　RH 真空精煉裝置工作原理簡圖

　　由于RH真空循環脫氣過程很難進行實際測定,人們常常采用數值模擬和物理模型實驗相結合的研究方法,探討驅動氣體參數、上升管、下降管幾何參數等對流動過程的影響,為實際工程應用提供設計或改進方案。近年來,采用數值模擬技術研究和分析真空領域中相關問題開始得到重視,數值計算理論不斷完善,數值模擬能力不斷提高。計算流體力學(CFD) 已經可以求解復雜的流動和傳熱問題,其豐富的可視化預測結果,為復雜流動問題的理解和分析提供了極大的幫助,對真空精煉過程的數值模擬同樣具有重要價值。現有對RH 真空精煉的理論分析和數值模擬中多將鋼包和真空室分開來討論,對鋼包內鋼水流動 、真空室內的脫碳反應等進行模擬。本文將討論吹氬流量和壓力對RH 循環的影響,為充氣參數優化提供參考。

1、數學模型

　　到目前為止,歐拉-歐拉兩流體模型被認為是描述兩相流系統宏觀流動的最好方法。本文采用基于歐拉方法的兩流體模型,對RH 循環流動過程進行模擬。

1.1、基本假設

　　(1)流動過程為等溫流動; (2)液相為不可壓縮粘性流體,壁面處無滑移; (3)流動狀態為泡狀流;(4)氣液兩相間的動量傳輸以相間作用力為主; (5)同一計算域內兩相的壓強相等。

1.2、質量守恒方程

　　等溫條件下兩相之間無質量傳遞,兩相流動的連續性方程為:

　　其中,α、ρ和v 分別為氣(液) 含率、密度和速度。下標i = l 或g 表示液相或氣相。

1.3、動量守恒方程

　　氣、液兩相存在速度梯度,考慮相間相互作用力,兩相流動的動量方程為:

　　其中, Fi 為總的相間力, g 為重力加速度矢量, P 為壓強。

　　在等溫氣-液兩相流動中,表面動量傳遞在動量方程中起主導作用,本文考慮的相間作用力主要由牽引力、上升力組成:

　　其中, Flg為氣相對液相的動量傳遞, Fgl為液相對氣相的動量傳遞。

　　牽引力函數采用Ishii 和Zuber 模型:

　　其中, CD 為牽引系數, aif 為相間表面積濃度(單位體積中的相間面積,與氣泡表面幾何結構相關) 。上升力與氣液兩相的相對速度以及流體速度相關,為 :

　　其中, CL 為上升力系數。

2、數值模擬

　　按照相似準則建立幾何模型,為分析和比較方便,本文采用真空技術網另外一篇文章中給定的RH物理實驗模型,具體幾何參數和尺寸見表1。模擬流體為水和氬氣。

表1 　RH 幾何模型的主要幾何尺寸

　　采用非結構化三維六面體網格對計算域進行網格劃分, 網格數量為19077 個。以FLU2ENT6.0 為計算平臺,對于真空室,取上升管和下降管入口所在平面為x - y平面, 上升管與下降管圓心聯線的中點為坐標原點,垂直于x - y 平面向上為z 軸正向;充氬管管口處為氣相速度入口,氣泡直徑為5mm ,氣含率為1 ;上升管入口處為液相速度入口,液含率為1 ,速率設定為0.1m·s ^{- 1} ;自由液面處為壓強入口;下降管出口處為壓強出口。對于鋼包,取鋼包底面圓心為坐標原點,鋼包底面所在平面為x - y 平面,z 軸正向向上;與下降管出口相接的圓面為速度入口,速率由真空室出口條件確定;與上升管入口相接的圓面為速度出口;自由液面處為壓強入口。采用標準k - ε模型求解流動控制方程,得到RH 真空精煉循環流動的影響因素和相關流動規律。