CN116258092A

CN116258092A - 一种中间包流动形态可视化表征方法

Info

Publication number: CN116258092A
Application number: CN202211572522.XA
Authority: CN
Inventors: 屈天鹏; 全齐; 王德永; 李向龙; 张志霄; 王慧华; 田俊; 侯栋; 胡绍岩
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2023-06-13

Abstract

本发明公开了一种中间包流动形态可视化表征方法，利用数值模拟获得中间包全域内各个网格的速度分布特征，然后通过数学模型后处理模块将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，完成中间包流动形态可视化表征；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。根据本发明，利用手持式水文流速仪检测试验中间包内流体速度，通过对比局部流速与临界速度，实现对中间包死区区域的实时监测，为中间包典型控流装置优化设计提供有效支撑。

Description

一种中间包流动形态可视化表征方法

技术领域

本发明属于中间包冶金领域，特别是涉及中间包流动形态可视化表征方法。

背景技术

中间包作为钢水连铸工序的最后一个耐火材料容器，其介于钢包与结晶器之间，实现了由间歇浇注到连续浇注的转变。中间包在钢包与结晶器之间不仅有着分流、连浇、减压和保护的作用，而且也有着多种冶金功能，如优化钢液流动，促进夹杂物分离和钢液热均匀化等作用。总得来说，中间包冶金对提高钢液洁净度，提升铸坯品质有着十分重要的作用。根据结构，中间包主要为常规无控流装置中间包、堰坝控流中间包、堰坝组合湍流抑制器控流中间包。模拟实验中待测流体在中间包内的停留时间分布曲线(Residence TimeDistribution，RTD)是研究中间包流体流动行为的重要参考，通过分析RTD曲线可以计算钢液在中间包内的平均停留时间、死区体积分率、活塞流体积分率等特征参数，为中间包内部结构的优化设计提供重要数据支撑。中间包RTD曲线可以通过数值模拟和水模型实验两种方法获得。两种方法属于冶金科研工作中的常用方法，可单独使用，也可联合使用，彼此验证，互为补充。很多冶金科研工作者针对不同形状的中间包做了大量的流场分析和结构优化工作，但基本上都是从工艺角度出发对中间包 RTD曲线的水模型实验结果或数值模拟结果进行分析讨论。目前尚未有针对中间包内死区临界速度的分析方法，更无法直观得知死区的具体位置。因此，需要研发新的方法，同时分析中间包有效体积、确定死区临界速度和可视化死区具体位置对于指导中间包设计及构造优化具有重要的意义。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种中间包流动形态可视化表征方法，首次提出死区临界速度，其能准确方便地实现死区体积的定量化与可视化，明确中间包内死区的具体位置；本发明克服了现有技术只是得到死区体积百分数的技术偏见，首次公开了可视化死区流域，这是现有技术无法预料的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中间包流动形态可视化表征方法，利用数值模拟获得中间包全域内各个网格的速度分布特征，然后通过数学模型后处理模块将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，完成中间包流动形态可视化表征，得到可视化中间包流动形态；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。

一种中间包流域死区的检测方法，测试中间包内不同流域的钢水流速，当流域内钢水流速小于临界速度时，该流域为死区；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。

本发明中，中间包包括无控流装置中间包、堰坝控流中间包、堰坝组合湍流抑制器控流中间包。具体的，中间包为无控流装置中间包时，α的取值范围为2.0%～2.1%；中间包为堰坝控流中间包时，α的取值范围为1.7%～1.8%；中间包为堰坝组合湍流抑制器控流中间包时，α的取值范围为1.4%～1.51%。

本发明中，采用流体力学计算软件建立中间包三维几何模型，并进行网格划分，获得中间包全域内各个网格的速度分布特征。流体力学计算软件及其数学模型后处理模块为现有技术。中间包的入口横截面平均流速的获得为常识。

本发明公开了一种评定中间包流域死区的公式，所述公式为临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。根据该公式，可通过数学模型基于等值云图直观显示流速小于临界流速的流体区域，也可通过物理模拟实验通过水文测速仪测定死区区域，进一步的，在炼钢过程，可测试中间包内不同流域的钢水流速，当流域内钢水流速小于临界速度时，该流域为死区。

本发明公开了上述评定中间包流域死区的模型或者可视化中间包流动形态在改善中间包结构中的应用。

本发明公开了.一种改善中间包结构的方法，利用数值模拟获得中间包全域内各个网格的速度分布特征，然后通过数学模型后处理模块将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，得到可视化中间包流动形态；或者利用物理模型测定死区区域；然后根据可视化中间包流动形态或者测定的死区区域改善中间包结构；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。根据可视化中间包流动形态改善中间包结构为常规技术，在本发明可视化中间包流动形态存在下，本领域技术人员可常规进行中间包结构调整，比如中间包控流装置优化。本发明可通过数学模型基于等值云图直观显示流速小于临界流速的流体区域，也可通过物理模拟实验通过水文测速仪测定死区区域；通过这两种方法直观展示中间包内的死区区域，为中间包控流装置优化设计可以提供直观有效的表征方法。

本发明的有益效果如下：

本发明首次提出根据死区临界速度评定标准v _critical=αv _inlet（α的取值范围为1.4%～2.1%），能快速有效确定中间包内死区临界速度，再通过采用测速仪就可判定死区位置，进而能快速有效地判断中间包包型及控流装置的优劣。基于死区临界速度，通过数值模拟使得死区体积可视化，明确了死区体积在中间包内的具体位置，实现了死区由“黑匣子”到“黑匣子”可视化的转变，此方法简单。中间包数值模拟属于标准实验，在实验室即可满足实验条件。基于RTD曲线结果，联合使用物理模拟与数值模拟，验证本发明方法可靠，结果准确度高。

附图说明

下面以使用该分析方法，对某钢厂中间包控流装置进行优化为例，结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1为无控流装置单流中间包（Case I）结构示意图；

图2为挡渣堰和导流坝结构示意图；

图3为湍流抑制器的结构示意图；

其中X1=575mm、H1=80mm、X2=175mm以及H2=167mm；

图4为含堰坝中间包内示踪剂流态：物理模拟( a )；数值模拟( b )；

图5为物理模拟和数值模拟的RTD曲线对比；

图6为不同构造中间包内Y=0截面处死区临界速度分布云图；

图7为不同构造中间包内死区的具体位置。

具体实施方式

本发明公开了界定死区区域的临界速度与中间包的入口横截面平均流速关系式为v _critical=αv _inlet（α的取值范围为1.4%～2.1%）。物理模拟实验中，根据模型条件计算出入口的平均速度，再根据以上公式即可以确定特定实验条件下中间包内流体死区区域的临界速度值。采用手持式的水文测速仪对物理模拟中间包内流水的流动速度进行测定，流速小于该临界速度的区域即界定为中间包死区。数学模型基于等值云图直观显示流速小于临界流速的流体区域，物理模拟实验通过水文测速仪测定死区区域。通过这两种方法直观展示中间包内的死区区域，为中间包控流装置优化设计可以提供直观有效的表征方法。

根据本领域常识，RTD曲线计算的死区体积分率误差在±2%以内，说明两者匹配。利用数值模拟计算所获得的全域内各个网格的速度分布特征，将临界速度值结合速度域反推对应的死区体积百分数，即统计计算域内速度小于该临界速度的区域体积占计算域总体积的比例，与水模型RTD曲线计算值匹配，说明本发明方法准确性好；出乎意料的，通过数学模型后处理模块可以将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，直观表征中间包内流体流动的死区区域。确定了临界速度后，建立数学模型后，根据速度场，即能可视化死区体积区域。

实施例一

一种评定中间包流域死区的公式，所述公式为临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。根据该公式，可通过数学模型基于等值云图直观显示流速小于临界流速的流体区域，也可通过物理模拟实验通过水文测速仪测定死区区域，进一步的，在炼钢过程，可测试中间包内不同流域的钢水流速，当流域内钢水流速小于临界速度时，该流域为死区。

中间包包括无控流装置中间包、堰坝控流中间包、堰坝组合湍流抑制器控流中间包。具体的，中间包为无控流装置中间包时，α的取值范围为2.0%～2.1%；中间包为堰坝控流中间包时，α的取值范围为1.7%～1.8%；中间包为堰坝组合湍流抑制器控流中间包时，α的取值范围为1.4%～1.51%。

本发明建立死区临界速度评定标准v _critical=αv _inlet（α的取值范围为1.4%～2.1%），通过测速仪监测某流域流体流速，若流速小于v _critical，则该区域为死区。验证本发明准确性的方法包括如下步骤：

步骤1：根据相似原理确定中间包原型和中间包模型的相似性参数，并确定模型与原型中流体速度、流量及时间之间的定量转换关系；

步骤2：采用“刺激-响应”法获得中间包物理模型的无因次停留时间分布（RTD）曲线；

步骤3：基于中间包无因次RTD曲线，通过RTD曲线分析计算得出中间包内活塞流区、全混流区以及死区的体积分数；

步骤4：使用流体力学计算软件建立中间包三维几何模型，并进行网格划分；根据评定标准计算出死区体积百分数；

步骤5：将基于本发明评定标准通过三维几何模型计算的死区体积分数，与物理模拟实验所得RTD曲线计算的死区体积分数进行比较；若死区体积分率误差在±2%以内，说明两者匹配，即本发明方法准确，可用于工业化生产，基于死区临界速度，通过数值模拟可视化死区体积，明确中间包内死区的具体位置，对于中间包结构优化具有显而易见的指导作用。

进一步的，采用数值模拟与物理模型模拟结合，两者匹配，更说明本发明公开的界定死区区域的临界速度与中间包的入口横截面平均流速关系式v _critical=αv _inlet（α的取值范围为1.4%～2.1%）具有优异的准确性。

下面详细说明根据本发明提供的一种中间包流动形态可视化表征方法的准确性。本发明中，具体中间包结构以及物理模拟、数学模拟及软件计算都为常规技术。

实施例二

选取3种不同构造中间包进行对比研究，其包括无控流装置中间包（Case I）；含堰坝中间包（Case II）；堰坝结合湍流抑制器（TI）中间包（Case III）。中间包的尺寸如图1所示，堰坝的具体信息如图2所示，其中X1=575mm、H1=80mm、X2=175mm以及H2=167mm。湍流抑制器的设计尺寸如图3所示。堰坝中间包（Case II）在中间包Case I基础上增加堰坝；堰坝结合湍流抑制器中间包（Case III）在堰坝中间包（Case II）基础上增加湍流抑制器。基于相似原理，建立了相似比λ为1:2的有机玻璃单流中间包模型，包括中间包模型、液位控制系统、示踪剂自动加入系统、高清摄像机、出口示踪剂浓度检测电导仪和数据采集系统（DJ800），为常规技术。

用商业软件FLUENT模拟计算中间包内流体流动形态，采用流体体积VOF模型求解获取中间包内流体RTD曲线以及可视化的流场。作为常识，中间包内流体域为不可压缩的牛顿流体；ρ为常数；中间包内液面为自由液面，液面平坦；加入示踪剂对流体流动无影响。

中间包内固体壁面为壁面条件，且应用标准壁面函数；中间包内液面为无滑移自由液面，液面平坦；入口为速度入口，根据质量守恒，通过拉速1.35m۰min^-1、铸坯断面尺寸220mm×1560mm以及入口直径80mm，可得入口速度为0.97 m۰s^-1；出口为自由出口；用水作为流体介质模拟中间包钢液以及示踪剂。

验证上述公式准确性的方法包括如下步骤：

（1）根据相似原理确定中间包原型和中间包模型的相似性参数，并确定模型与原型中流体速度、流量及时间之间的定量转换关系；

在步骤（1）中：中间包模型（L _m）与中间包原型（L _P）之间的相似比λ为1:2。由Fr准数相等可以确定模型与原型中流体速度、流量及时间之间的定量转换关系：

由(Fr)_P=(Fr)_m，即：

，可得：

速度比：

流量比：

时间比：

式中，下标m代表模型；P代表原型；g是重力加速度，m·s^-2；L为特征长度；U是流体速度，m·s^-1；Q是流体流量，m³·h^-1或kg·s^-1；t是流体平均停留时间，s。

（2）采用“刺激-响应”法获得中间包物理模型的无因次停留时间分布（RTD）曲线；

在步骤（2）中：采用“刺激-响应”法的具体内容如下：即在测试开始前，将大包和中间包的液面升至试验操作液面，待液面稳定后，从钢包水口注流内脉冲加入示踪剂溶液（300mL饱和KCl水溶液），加入示踪剂的同时开始计时，利用安装在中间包出口处的电极，配以数据在线采集系统，瞬态检测记录示踪剂的浓度变化，直到浓度降低到接近零为止，从而获得浓度随时间的变化曲线，经计算即可得到中间包流体流动停留时间分布曲线RTD（Residence Time Distribution）曲线。

在步骤（3）中： RTD曲线分析方法如下，根据物理模拟得到的RTD曲线，可以得到中间包的最小停留时间t_min，即从示踪剂加入到示踪剂从中间包水口流出的时间；峰值时间t_peak，即示踪剂浓度达到最大值时所对应的时间。通过计算可以得到示踪剂的平均停留时间t_c，其计算公式为：

式中，t是时间，s；c是示踪剂浓度。

中间包内三种流动的体积分数大小：

活塞流体积分率（Plug flow volume fraction）

死区体积分率（Dead volume fraction)

全混流体积分率（Mixed flow volume fraction）

式中，θ_min是无因次最小停留时间；θ_peak是无因次峰值时间；Q_a/Q是无因次时间θ=2时RTD曲线下的面积；θ_c是流体从活塞流区和全混流区流出的平均无因次停留时间。

无因次最小停留时间、无因次峰值浓度时间和从活塞流区和全混流区流出的流体的平均无因次停留时间可由下式计算：

式中，τ是理论平均停留时间，τ=V/Q_m，s；V是中间包流体体积，m³；V_a是中间包液体活性区体积，m³；Q_m是中间包出口的流体流量，m³·s^-1。

不同结构中间包的RTD曲线分析结果（Case I-无控流装置；Case II-堰坝；CaseIII-堰坝组合湍流抑制器）见表1。

表1 不同构造中间包的RTD曲线分析结果

（4）使用流体力学计算软件进行RTD曲线的数值模拟，并与物理模拟实验所得RTD曲线对比验证；采用商业软件FLUENT进行模拟计算，采用稳态模拟求解流场，非稳态模拟示踪剂在中间包内的分布情况，并实时监测出口截面示踪剂浓度，得到RTD曲线。采用半隐式方法（SIMPLE）求解控制方程，压力项为RPESTO!，采用二阶迎风格式求解动量方程。动量、压力、湍动能以及湍动能耗散率的松弛因子分别设定为：0.5、0.3、0.8、0.8。当残差小于10⁻⁴时，方程求解收敛。

采用流体力学计算软件建立中间包三维几何模型，并进行网格划分。设定中间包入口为Velocity-inlet，出口为Outflow。在完成求解模型选择、边界条件设定、介质材料选择以及求解参数设定后，先进行中间包的稳态流场计算；中间包流场计算稳定后，将流体计算软件中的稳态模型转换为非稳态模型，在零时刻，从中间包入口处加入示踪剂，示踪剂的流量和加入时长分别与物理模拟过程中中间包入口流量及示踪剂加入时长相等。加入示踪剂的同时，监测中间包出口处示踪剂的浓度随时间变化曲线，当示踪剂全部流出后，计算停止，得到示踪剂停留时间分布RTD曲线，再对其进行无量纲处理。最后对比验证物理模拟所得RTD曲线与数值模拟所得RTD曲线结果。图4和图5分别给出了含堰坝中间包内流场分布和RTD曲线的数值模拟和物理模拟结果。由图4可见，数值模拟与物理模拟所得不同时刻流体的流动形态分布基本一致。由图5可见，含堰坝中间包内流体的RTD曲线变化趋势一致，响应时间、峰值时间和浓度的模拟结果与物理模拟结果基本一致。综上所述，从中间包内流体的可视化图像以及停留时间分布曲线的对比结果而言，数值模拟结果与物理模拟结果吻合较好。

（5）建立死区临界速度评定标准：v _critical=αv _inlet；中间包为无控流装置中间包时，α的取值为2.1%；中间包为堰坝控流中间包时，α的取值为1.7%；中间包为堰坝组合湍流抑制器控流中间包时，α的取值为1.5%。中间包FLUENT软件三维几何模型中，通过统计速度域内，小于临界速度的所有单元体积，再利用该体积除以计算域的总体积，得到数学模型根据临界速度计算的死区体积分数。

将上述借助死区的临界速度由数学模型计算的死区体积分数与步骤（3）水模型计算的死区体积分率比较，结果见表2。其中v _inlet由下式计算：

式中，ρ是密度；B是铸坯宽度、D是铸坯厚度，m；N是中间包的流数；A _slab是横截面尺寸；v _cast是连铸拉速，m·min^-1；A _shroud是中间包长水口横截面积，m²。

可以发现，本发明公开的方法具有非常好的准确性，基于死区临界速度，通过数值模拟可视化死区体积，明确中间包内死区的具体位置。图6为不同构造中间包内Y=0截面处死区临界速度分布云图（a-无控流装置；b-堰坝；c-堰坝组合湍流抑制器）；图7为不同构造中间包内死区的具体位置（a-无控流装置；b-堰坝；c-堰坝组合湍流抑制器）。图7给出了数值模拟所得中间内死区体积3D可视化结果，在无控流装置中间包（Case I）中，死区主要集中在中间包出口与液面之间的区域、第二腔室前后壁面附近区域以及窄端面的角落区域皆为死区。堰坝的引入使得死区位置转移至挡渣坝与出口之间，且角落区域死区基本消失。然而，TI的加入使得入口与挡渣堰之间区域出现了死区。以上现象主要是由于堰坝的存在改变了流体流动方向，限制了流体径直流向出口。

基于死区临界速度，通过流体力学计算后处理软件在流体域取小于死区临界速度的等值体便可在流体域中显示死区的位置，即死区体积的可视化。在采用物理模拟方法优化中间包构造的实验过程，通过测速仪监测某流域流体流速，若流速小于v _critical，则该区域为死区，进而可以针对死区存在位置进行适当的构造优化及设计。本发明实际使用时，通过测速仪监测某流域流体流速，若流速小于V_critical，则该区域为死区。

实施例三

以上述无控流装置中间包（Case I）为例，当拉速为1.2 m·min^-1和1.00 m·min^-1时，单流连铸中间内流体对应的死区临界速度分别为0.013 m·s^-1和0.011 m·s^-1，对应的死区体积分数分别为23.36%和28.02%，与水模型RTD曲线结果的误差小于0.5%；随着拉速的提高，死区临界速度逐渐增大，死区体积分数减小。这是由于较高拉速条件下，中间包内流体的整体流速较大，流场更活跃。

采用物理模拟和数值仿真相结合的方法，将物理模型“刺激-响应”法获得的流体在中间包内的停留时间分布曲线与数学模型计算得到的结果进行对比，明确中间包内流体流动的实际平均停留时间、死区体积分率等参数，两类研究方法获得的参数相互验证；可证明本发明的准确性好。本发明给出死区临界速度评定标准来定量表征中间包构造对其中间包流动形态的控流效果评估方法，进而指导中间的设计及构造优化，经过示踪剂停留时间分布(RTD)曲线、数值模拟结果验证，本发明具有好的准确性，该技术特别适用于采用物理模拟优化中间包构造的实验过程。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种中间包流动形态可视化表征方法，其特征在于，利用数值模拟获得中间包全域内各个网格的速度分布特征，然后通过数学模型后处理模块将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，完成中间包流动形态可视化表征；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。

2.根据权利要求1所述中间包流动形态可视化表征方法，其特征在于，中间包包括无控流装置中间包、堰坝控流中间包、堰坝组合湍流抑制器控流中间包。

3.根据权利要求1所述中间包流动形态可视化表征方法，其特征在于，中间包为无控流装置中间包时，α的取值范围为2.0%～2.1%；中间包为堰坝控流中间包时，α的取值范围为1.7%～1.8%；中间包为堰坝组合湍流抑制器控流中间包时，α的取值范围为1.4%～1.51%。

4.根据权利要求1所述中间包流动形态可视化表征方法，其特征在于，采用流体力学计算软件建立中间包三维几何模型，并进行网格划分，获得中间包全域内各个网格的速度分布特征。

5.一种中间包流域死区的检测方法，其特征在于，测试中间包内不同流域的钢水流速，当流域内钢水流速小于临界速度时，该流域为死区；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。

6.根据权利要求5所述中间包流域死区的检测方法，其特征在于，中间包为无控流装置中间包时，α的取值范围为2.0%～2.1%；中间包为堰坝控流中间包时，α的取值范围为1.7%～1.8%；中间包为堰坝组合湍流抑制器控流中间包时，α的取值范围为1.4%～1.51%。

7.一种评定中间包流域死区的公式，其特征在于，所述公式为临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。

8.一种可视化中间包流动形态，其特征在于，利用数值模拟获得中间包全域内各个网格的速度分布特征，然后通过数学模型后处理模块将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，得到可视化中间包流动形态；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。

9.权利要求7所述评定中间包流域死区的公式或者权利要求8所述可视化中间包流动形态在改善中间包结构中的应用。

10.一种改善中间包结构的方法，其特征在于，利用数值模拟获得中间包全域内各个网格的速度分布特征，然后通过数学模型后处理模块将中间包内速度小于临界速度的单元显示出来，得到可视化中间包流动形态；然后根据可视化中间包流动形态改善中间包结构；所述临界速度=α中间包的入口横截面平均流速，α的取值范围为1.4%～2.1%。