Computational Fluid Dynamics Modeling of。。。Steelmaking Process外文翻译
- 格式：doc
- 大小：967.50 KB
- 文档页数：21
学生毕业设计（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译文要求1.外文翻译必须使用签字笔，手工工整书写，或用A4纸打印。
2.所选的原文不少于10000印刷字符，其内容必须与课题或专业方向紧密相关，由指导教师提供，并注明详细出处。
3.外文翻译书文本后附原文（或复印件）。
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 ALAM, JAMAL NASER, GEOFFREY BROOKS, andANDREA 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，Mahoney[9]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（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：其中ρ是流体的密度和U i 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 +=-ij i j i j j i ju u U U U P t X X X τρρρ∂-∂∂∂+∂∂∂∂ （2） 23j i k ij ij j i k U U U X X X τμδ⎛⎫∂∂∂=+- ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭ 其中P 是流体压力，ηij 为粘性应力，u i 和u j 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，δij 为克罗内克δ（δij = 1，如果i = j 时和δij =0，如果i ≠j ）。
雷诺应力是根据以下的Boussinesq 近似模型[13]：µt 湍流粘度和k 是湍流动能。
湍流粘度和湍流动能的模拟将在后面描述。
能量守恒方程可以表示如下：其中，H 是总的焓，γ为热导率，Pr t 是湍流普朗特数，和S E 是能量（燃烧和辐射）内部来源。
湍流普朗特数最常用的值是0.9，它是满足于低超音速的速度和低的热导率无冲击流[14]。
Wilcox 对于自由剪切流动和传热问题推荐使用Pr t =0.5。
因此，Pr t =0.5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的影响。
在K-E 型，湍流动能k 和扩散率ε分别从以下传递方程得到：212j i t j i j j j j U U C u u C t X X k X X k εεερεεμρεεερμρσ⎛⎫∂∂∂∂∂+=-++- ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭（6） 其中C ε1，C ε2，ζk ，和ζε对常数k -ε型，和它们的值分别是1.44，1.92，1.0，和1.3。
湍流粘度µt 的定义如下：2t k C μμρε= （7） C μ的值由下面的公式[15]来确定：其中T g 为温度梯度通过标准化长度比例和f （M η）考虑了压缩性效应。
方程（8）C µ的改取决于在剪切层的温度梯度值。
2.2 燃烧模拟在本研究中所用的燃料和氧化剂分别为CH 4和O 2。
N 2和O 2分别用作中心超音速聚流氧枪。
在本研究中认为CH 4和O 2之间是单步完全燃烧反应。
燃烧的产物是CO 2和H 2O 。
然而在实际中，在高温下，CO 2和H 2O 的分解导致次要产物如CO ，H 2，OH 和O 2一起与主反应产物CO 2和H 2O 燃烧产物生成。
分解反应是吸热的，因此，实际的火焰温度会比根据完全燃烧反应所计算出的火焰温度低[13]。
但一单步完全燃烧反应的这一假设使的计算简单及减少了计算时间。
燃烧反应方程式表示如下[13]：4222CH +2O =CO +2H O （9）参与反应的物质的质量分数是通过求解每个物质单独的方程，其可以写成下面的形式：()Sc i j i t i i i j j t j YU Y Y D S t X X X ρρμρ∂⎡⎤⎛⎫∂∂∂+=-++⎢⎥ ⎪∂∂∂∂⎢⎥⎝⎭⎣⎦(10) 其中Y i 的质量分数，D i 为层流扩散系数，和S i 是物质i 的源项。
在本研究中，该气体混合物的所有物质被假设为单个扩散系数（即，D i =D 其中i=1，2，3，...，N ，其中N 是物质的数量）。
计算混合气体的层流扩散系数施密特数S c =0.7。
当气流是高度可压缩的，层流扩散系数将对物质的扩散的影响可以忽略不计。
湍流扩散系数的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Sc t =0.9确定的气体混合物的湍流粘度µt 来确定。
因此，它表明，反应中涉及的所有物质总的扩散系数是相同的。
物质传输方程的源项是产生/还原该特定物质的速率。
其中S fu 是燃油消耗的容积率。
A 和B 是该模型的常数，s 为化学计量比。
其中Y fu ，Y ox 和Y pr 分别是燃料，氧气和燃烧产物的质量分数。
涡流分离模型是一个很好的预测，是用CFD 计算非常简单就实现了[13]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的函数。
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的漩涡分子水平的速率来确定的，换句话说，它是由这些漩涡消散的速率决定。
该模型计算出的燃料，氧和产品的单个耗散率，实际消耗速率等于三个中最慢的耗散率所示公式。
方程式[11]的括号内的前两项。
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的产物。
在本研究中，A=4与B=0.5是基于以前的研究中使用过的。
[17] 从燃烧的反应看出燃料和氧化剂的化学计量比为s=4时，表示1千克甲烷完全燃烧，必需要4公斤氧。
因此，氧气消耗速率是燃料的4倍。
燃料消耗量的体积率S fu 是通过使用方程式计（11），算出每个个体。
再乘以该特定燃料的燃烧热，然后再新增为源项到能量方程来计算温度。
2.3 辐射模拟当温度超过1500度（1227℃）[13]。
系统的辐射换热变得很重要。
这里，燃烧的温度约为3500度（3227℃），因此，辐射传热需要考虑。
使用以下著名的斯忒藩-玻耳兹曼公式进行的辐射的计算：()4412E A T T σ=∈- （12）其中E 是每单位时间的辐射换热，图2是该气体的发射率，R =5.670391058W/（m 2K 4）为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，A 是发光体的面积，并且T 1和T 2分别是辐射和接收温度。
一种介质的发射率取决于周围流体性质[13]。
正常的大气是透明的，因此不参与辐射换热。
燃烧的产物含有高浓度的CO 2和H 2O ，这两者都是强吸收和发射器。
灰色气体模型（WSGGM ）的加权和[18]通常用于定义介质的温度和物种浓度依赖性的发射率。
对于不同的气体浓度和温度，WSGGM 模型的气体的辐射率不同，一般0.3到0.5。
在本研究中，简单气体放射率为恒定值ε=0.5。
辐射能量E 是用方程式（12）计算出每个个体，然后从能量方程中减去。
2.4 计算领域在本CFD 模拟中使用，具有边界条件的计算域的示意图，如图2。
计算域只有一个在圆周方向上单元的是轴对称和楔形的。
为了减少计算时间，拉瓦尔喷嘴内部流动是不包括在计算内。
利用等熵理论计算喷嘴出口处的流动条件。
[ 19 ] 喷嘴的出口直径为0.0147米，它被认为是计算域的入口之一。
计算域为从喷嘴出口下端105直径到垂直于射流中心线喷嘴出口20直径。
在实验研究中，CH 4和O 2通过布置在两个同心环围绕主喷管组成的孔注入如图3所示。
孔的内圈用于CH 4气体和孔的外环供氧。
