预热温度对于混合喷吹O2+CO2旋流氧枪喷头射流特性的影响

陈圣桢 ，朱 荣 ，冯 超 ，董 凯，魏光升

(1.北京科技大学 冶金与生态工程学院， 北京 100083；2.高端金属材料特种熔炼与制备北京市重点实验室，北京 100083)

氧枪喷头的射流特性直接影响转炉冶炼指标和能耗。旋流氧枪喷头与传统氧枪喷头相比，具有更大的射流径向速度、冲击面积和搅拌能等优势，许多学者对旋流氧枪喷头进行了大量的研究[1-3]。吕明等人[4]研究了转炉内不同枪位条件下的顶吹气体射流特性，发现单孔氧枪数值模拟的冲击深度小于理论计算值、冲击面积大于理论计算值，且随着枪位的提高，冲击深度差值变小，冲击面积差值变大。Ziliang Li等人[5]采用四种湍流模型，对冷态超音速氧气射流进入高温环境的射流行为进行了预测，并讨论了环境温度对射流的动压力和多股射流聚并的影响。Mingming Li等人[6]对超音速射流的聚结特性进行模拟，结果表明多股射流无干扰的临界值为25°。关于预热温度对于旋流氧枪喷头混合喷吹O2+CO2的射流特性研究较少，本文研究了供气流量为18 400和27 600 m3/h(标准)和预热温度为300、600 K条件下，喷吹90%O2+10%CO2混合气射流的特性，着重分析了喷孔射流轴向、径向等射流特性的变化。

1 模型与控制方程的建立

1.1 控制方程

本研究涉及的质量方程、动量方程和能量方程如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为气体密度，kg/m3，ρ=p/RT；ui为第i方向的速度，m/s；p为系统的压力，Pa；τij为分子黏度产生的黏性应力,Pa；ui和uj为速度分量，m/s，下标i是第i个方向的速度，j是第j个方向的速度。

本文采用了一种常用的标准k-ε湍流模型，其湍动能k和耗散率ε如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

式中：Gk为层流速度梯度产生的湍流能量；Gb为浮力产生的湍流能量；Ym为可压缩湍流过度扩散引起的波动；σk为k方程的湍流普朗特数，σε为ε方程的湍流普朗特数，分别为1.0，1.3；C1ε，C2ε和C3ε是常数，分别为1.44，1.92，0.8。

1.2 计算域和边界条件

本研究以4孔全尺寸旋流氧枪喷头作为模拟对象。喷头尺寸及相关工艺参数如表1所示。

表1 喷头尺寸及相关工艺参数

图1为四孔旋流氧枪喷头的具体形状和孔型布局。其中，喷头的出口直径为De，喷头的喉口直径为Dt，主吹孔中心倾角为α1，扩张段半锥角为α2，旋流角为α3。

图1 氧枪喷头结构

本研究通过ICEM CFD软件进行网格划分，图2为具有646 050个网格点的四孔旋流氧枪喷头的计算域和边界条件设置。入口边界选择质量流量，出口边界选择压力出口，其余设置为Wall，用隐式方法计算了压力、速度、温度和密度，将能量项的收敛条件设置为小于10-6，其他项的收敛条件设置为10-5。

图2 氧枪喷头的计算区域结构和边界条件

2 模拟结果讨论分析

2.1 预热温度对喷孔轴向射流特性的影响

2.1.1 喷孔轴向的射流特性

式(6)～式(8)分别给出了温度与速度的关系、密度与温度的关系、速度与温度及压力的关系。

(6)

(7)

(8)

根据公式(6)中速度与温度的关系，可知预热温度越高，射流速度越大。图3为分别在300 K和600 K的预热温度下，喷孔轴线处的速度、动压、马赫数和湍动能分布，流量为18 400 m3/h(标准)的喷孔射流数据用虚线表示，流量为27 600 m3/h(标准)的喷孔射流数据用实线表示。图3(a)为不同温度条件下，沿喷孔轴线的射流速度分布，在相同的温度条件下，供气流量的增大，有利于射流轴向速度的增大；在相同的流量下，轴向速度随温度升高而增大，这与式(6)中速度与温度的关系规律相一致。图3(b)为不同温度条件下沿喷孔轴线的马赫数分布，将马赫数大于1的气体射流长度定义为射流核心段长度，从而可得出如下规律：在相同的温度条件下，增加供气流量能够延长射流核心段长度；在相同的流量下，射流核心段长度随温度升高而变长。图3(c)为不同温度条件下沿喷孔轴线的动压分布，在相同的温度条件下，供气流量越大射流轴线动压越大；在相同的流量下，动压随温度升高而增大。图3(d)显示了相同的温度条件下，流量的增大使湍动能增大；在相同的流量下，预热温度越高，射流轴线上的湍动能越高，预热温度越高，射流从喷孔喷出时膨胀越大，流股与周围环境气体间的卷吸作用也越强，因此温度越高，射流湍动能越大。

图3 不同预热温度下氧枪喷孔轴线的射流特性

2.1.2 喷头中心线的射流特性

图4为两组不同流量的旋流喷头在不同预热温度条件下的中心线射流特性的分布。图4(a)显示了射流速度沿喷头中心线的分布，结果表明，随着距喷头距离的增加，喷头中心线射流速度在一定距离后逐渐增大，且较大流量旋流喷头的中心线速度更大。氧枪喷头中心线速度的提高主要是因为多股射流对周围气体的持续卷吸，中心线上环境气体因此急剧减少，随着射流半径的增加，射流气体对中心线上环境气体的影响增强，中心线上的环境气体速度不断增加。在供气流量一定时，伴随预热温度的升高，射流的卷吸作用和速度的波动越明显，中心线上的湍动也更大，因此温度越高喷头中心线上的速度也更大。图4(b)为氧枪喷头中心线上马赫数的分布，图4(c)为氧枪喷头中心线的动压分布。结果表明，600 K时中心线的动压和马赫数均大于300 K时的动压和马赫数，这同样解释了图4(a)中不同预热温度下的速度分布规律。图4(d)为湍动能在中心线的分布，结果表明，伴随预热温度和射流流量的增加，喷头中心线处的湍动能就越大，即射流混合要更为剧烈。

图4 不同预热温度下氧枪喷头中心线的射流特性

2.2 预热温度对喷头径向射流特性的影响

图5显示了不同的喷吹距离和预热温度对射流径向速度分布的影响。结果表明，相同喷吹距离条件下，射流预热温度越高射流径向速度越大；伴随喷吹距离的增加，射流径向速度的最大值减小。伴随喷吹距离的增大，射流卷吸环境气体量逐渐增加，根据能量守恒定律，射流速度呈现逐渐降低趋势。进一步观察发现预热温度越高，射流最大速度点离中心线的距离越近，即射流的偏移量越大，因为气体预热温度越高，射流对于氧枪喷头轴线方向的环境气体卷吸量越大，氧枪喷头轴线处的压强越低，多股射流的聚并现象也越明显。

图6显示了不同预热温度下射流的径向马赫数分布。结果表明，在相同预热温度条件下，供气流量越大，射流核心段宽度越大；在相同的供气流量条件下，预热温度越高，射流核心段宽度也越大，与图3(b)的马赫数分布规律相一致。供气流量和预热温度的增大都能提高射流轴线速度，减缓射流衰减，延长射流核心段长度，因此供气流量和预热温度的升高使射流在相同的喷吹距离条件下，射流的达到超音速的径向范围越大。

图7显示了供气流量为18 400 m3/h(标准)旋流氧枪射流的速度场分布。结果表明，在相同的喷吹距离处，伴随预热温度的升高，射流的高速区增大，冲击面积增大；在同一预热温度下，伴随喷吹距离增大，射流速度越小，冲击面积越大，这与图5所示的径向速度分布规律相一致。因为射流沿程卷吸环境气体使射流的速度逐渐减小，氧枪喷头具有一定的中心倾角，因此射流对于熔池的冲击面积伴随喷吹距离的增大而增大。

图5 不同预热温度下氧枪喷头径向速度分布

图6 不同预热温度下氧枪喷头径向马赫数分布

图7 18 400 m3/h(标准)旋流喷头射流速度场分布

由于气体预热温度的升高使射流的轴向速度增大，射流速度衰减减缓，使射流具有更好的冲击性能，因此预热温度的升高使射流对于熔池冲击的高速区和冲击面积增大。

3 结 论

本文采用数值模拟的研究方法，分析了供气流量和预热温度对于混合90%O2+10%CO2的四孔旋流喷头射流特性，本研究的结论总结如下：

(1)伴随预热温度和供气流量的增大，喷孔射流轴向速度衰减变慢，射流轴向速度增大，核心段长度延长。

(2)伴随预热温度和供气流量的增大，喷头中心线射流速度增大，多股射流的掺混程度加剧。

(3)伴随预热温度和供气流量的增大，射流径向速度增大，射流直径增加，且射流对于熔池的冲击面积增大。