Computational Fluid Dynamics Modeling ofSteelmaking Process外文翻譯

1、 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外 文 譯 文學(xué) 院 冶金與材料工程學(xué)院 專業(yè)班級 冶金工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 譯 文 要 求外文翻譯必須使用簽字筆，手工工整書寫，或用A4紙打印。所選的原文不少于10000印刷字符，其內(nèi)容必須與課題或?qū)I(yè)方向緊密相關(guān)，由指導(dǎo)教師提供，并注明詳細(xì)出處。外文翻譯書文本后附原文（或復(fù)印件）。文獻(xiàn)出處：METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS B, 2010, 41B(6): 1354-1367.電弧爐煉鋼過程中超音速聚流氧槍的流體動(dòng)力學(xué)模擬MORSHED ALAM, JAMAL NASER, GEOFFREY BROOKS, and A

2、NDREA FONTANA摘要：超音速的氣體射流現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于電弧爐煉鋼，其他許多工業(yè)用來增加氣液混合，反應(yīng)速率和能量效率。然而，對于超音速聚流氧槍，已有的基本物理研究非常有限。在本研究中，超音速射流流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在有火焰覆蓋環(huán)境溫度和室溫中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)值結(jié)果表明，超音速氧、氮的射流在火焰覆蓋的潛在的核心長度分別比無火焰覆蓋的超過4倍和3倍，這是與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。使用火焰籠罩的超音速射流相比常規(guī)的超音速射流的擴(kuò)展率顯著下降。本CFD模型被用于在大約1700K（1427）煉鋼條件下研究連續(xù)超音速氧氣射流的特性。連續(xù)超音速氧氣射流在煉鋼條件的潛在的核心長度是在室溫環(huán)境溫度的1.4倍

3、。1 引言1。當(dāng)一個(gè)超音速射流從拉法兒噴嘴噴出時(shí)，它便于周圍的環(huán)境相互作用產(chǎn)生一個(gè)湍流混合的區(qū)域。在與噴嘴距離加大的過程中，射流直徑會(huì)增加，射流速度會(huì)減緩。在吹氧期間，液面與噴嘴出口之間的距離越大，周圍流體的夾帶越多，反過來又降低了沖擊速度以及滲透液面的深度。所以，小的氣-液界面面積使?fàn)t內(nèi)氣體和液體的混合度降低，這也降低了反應(yīng)速率。因此，噴嘴靠近液體的表面是理想的位置。此方法的缺點(diǎn)是爐渣/金屬液滴對噴槍尖粘附，導(dǎo)致其壽命的縮短2, 3。為了克服該問題，連續(xù)射流技術(shù)被引入在電弧爐煉鋼過程中是在上個(gè)世紀(jì)末4, 5。連貫射流的制備是由火焰覆蓋傳統(tǒng)超音速射流產(chǎn)生的。覆蓋所需火焰是使用燃料和氧化劑生成的

4、。圖1示出了常規(guī)和超音速聚流氧槍的示意圖6。因?yàn)榛鹧娓采w，所以周圍的氣體帶入超音速射流的夾質(zhì)降低，導(dǎo)致超音速射流的更高的潛在核心長度（該長度最長可達(dá)其軸向射流速度相當(dāng)于對該噴嘴的出口速度）。超音速聚流氧槍較長的潛在核心長度使它可以遠(yuǎn)離液體表面安裝的噴嘴。在現(xiàn)代電弧爐中，在熔化期間充滿的氧氣和燃料的燃燒，增加了工藝的效率7。其同時(shí)聲稱，其在爐壁產(chǎn)生的飛濺小于常規(guī)超音速射流產(chǎn)生的8。雖然在過去的10年中，鋼鐵行業(yè)一直在使用超音速聚流氧槍，但關(guān)于超音速聚流氧槍有限的研究工作已經(jīng)完成。Anderson等人5首先開展超音速聚流氧槍的實(shí)驗(yàn)研究。最近，Mahoney9研究了覆蓋燃料和氧氣流量對超音速聚流氧槍

5、的潛在核心長度的影響。Meidani等人10同時(shí)進(jìn)行了使用壓縮空氣作為覆蓋氣體的超音速射流實(shí)驗(yàn)研究。在他們的研究中，沒有燃燒的火焰包圍了主體超音速射流。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，覆蓋火焰的超音速射流的一些數(shù)值7, 11, 12在文獻(xiàn)中可用，但大多數(shù)7,11沒有得到證實(shí)。通過Jeong等人12進(jìn)行的數(shù)值模擬，預(yù)測的超音速射流的潛在核心長度一致。在本研究中，通過流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的分析，在室溫環(huán)境進(jìn)行有和沒有火焰覆蓋的超音速射流的模擬。CFD的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。5 為了更清楚地了解技術(shù)的工作原理，所以對超音速聚流氧槍的主要特征進(jìn)行了研究。然后該CFD模型被用于研究在煉鋼條件下超音速聚流氧槍的特

6、征。圖1 （a）常規(guī)射流及（b）超音速聚流氧槍射流的原理圖62 數(shù)值分析2.1 控制方程不穩(wěn)定RANS方程13被用來進(jìn)行數(shù)值模擬。平均質(zhì)量，動(dòng)量和能量方程可以寫成一個(gè)保守的形式。質(zhì)量守恒方程可以表示如下： （1）其中是流體的密度和Ui為在第i個(gè)方向上的平均流速。動(dòng)量守恒方程可以表示如下： （2）其中P是流體壓力，ij為粘性應(yīng)力，ui和uj是在第i個(gè)和第j個(gè)方向上的脈動(dòng)速度分量，l是分子粘度，ij為克羅內(nèi)克（ij= 1，如果i = j時(shí)和ij=0，如果ij）。雷諾應(yīng)力是根據(jù)以下的Boussinesq近似模型13： （3）t湍流粘度和k是湍流動(dòng)能。湍流粘度和湍流動(dòng)能的模擬將在后面描述。能量守恒方程

7、可以表示如下： （4）其中，H是總的焓，為熱導(dǎo)率，Prt是湍流普朗特?cái)?shù)，和SE是能量（燃燒和輻射）內(nèi)部來源。湍流普朗特?cái)?shù)最常用的值是0.9，它是滿足于低超音速的速度和低的熱導(dǎo)率無沖擊流14。Wilcox對于自由剪切流動(dòng)和傳熱問題推薦使用Prt=0.5。因此，Prt=0.5被用于這項(xiàng)研究。這個(gè)修改是為了考慮溫度梯度對湍流混合區(qū)的影響。在K-E型，湍流動(dòng)能k和擴(kuò)散率分別從以下傳遞方程得到： （5） （6）其中C1，C2，k，和對常數(shù)k-型，和它們的值分別是1.44，1.92，1.0，和1.3。湍流粘度t的定義如下： （7）的值由下面的公式15來確定： （8）其中Tg為溫度梯度通過標(biāo)準(zhǔn)化長度比例和f

8、（M）考慮了壓縮性效應(yīng)。方程（8）C的改取決于在剪切層的溫度梯度值。2.2 燃燒模擬在本研究中所用的燃料和氧化劑分別為CH4和O2。N2和O2分別用作中心超音速聚流氧槍。在本研究中認(rèn)為CH4和O2之間是單步完全燃燒反應(yīng)。燃燒的產(chǎn)物是CO2和H2O。然而在實(shí)際中，在高溫下，CO2和H2O的分解導(dǎo)致次要產(chǎn)物如CO，H2，OH和O2一起與主反應(yīng)產(chǎn)物CO2和H2O燃燒產(chǎn)物生成。分解反應(yīng)是吸熱的，因此，實(shí)際的火焰溫度會(huì)比根據(jù)完全燃燒反應(yīng)所計(jì)算出的火焰溫度低13。但一單步完全燃燒反應(yīng)的這一假設(shè)使的計(jì)算簡單及減少了計(jì)算時(shí)間。燃燒反應(yīng)方程式表示如下13： （9）參與反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過求解每個(gè)物質(zhì)單獨(dú)的

9、方程，其可以寫成下面的形式： (10)其中Yi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Di為層流擴(kuò)散系數(shù)，和Si是物質(zhì)i的源項(xiàng)。在本研究中，該氣體混合物的所有物質(zhì)被假設(shè)為單個(gè)擴(kuò)散系數(shù)（即，Di=D其中i=1，2，3，.，N，其中N是物質(zhì)的數(shù)量）。計(jì)算混合氣體的層流擴(kuò)散系數(shù)施密特?cái)?shù)Sc=0.7。當(dāng)氣流是高度可壓縮的，層流擴(kuò)散系數(shù)將對物質(zhì)的擴(kuò)散的影響可以忽略不計(jì)。湍流擴(kuò)散系數(shù)的影響不同物質(zhì)在流場中擴(kuò)散。湍流擴(kuò)散系數(shù)是通過由湍流施密特?cái)?shù)Sctt來確定。因此，它表明，反應(yīng)中涉及的所有物質(zhì)總的擴(kuò)散系數(shù)是相同的。物質(zhì)傳輸方程的源項(xiàng)是產(chǎn)生/還原該特定物質(zhì)的速率。 (11)其中Sfu是燃油消耗的容積率。A和B是該模型的常數(shù)，s為化學(xué)計(jì)量

10、比。其中Yfu，Yox和Ypr分別是燃料，氧氣和燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。渦流分離模型是一個(gè)很好的預(yù)測，是用CFD計(jì)算非常簡單就實(shí)現(xiàn)了13在渦流分離模型，燃油消耗率規(guī)定為本地流量和熱力學(xué)性質(zhì)的函數(shù)。根據(jù)這個(gè)模型，燃燒速率是含有反應(yīng)物和那些含有熱產(chǎn)物互混的漩渦分子水平的速率來確定的，換句話說，它是由這些漩渦消散的速率決定。該模型計(jì)算出的燃料，氧和產(chǎn)品的單個(gè)耗散率，實(shí)際消耗速率等于三個(gè)中最慢的耗散率所示公式。方程式11的括號(hào)內(nèi)的前兩項(xiàng)。簡單地判定燃料或氧是否存在于限制數(shù)量，而第三項(xiàng)可確保火焰不會(huì)蔓延在沒有熱的產(chǎn)物。在本研究中，A=4與B=0.5是基于以前的研究中使用過的。17 從燃燒的反應(yīng)看出燃料和氧化

11、劑的化學(xué)計(jì)量比為s=4時(shí)，表示1千克甲烷完全燃燒，必需要4公斤氧。因此，氧氣消耗速率是燃料的4倍。燃料消耗量的體積率Sfu是通過使用方程式計(jì)（11），算出每個(gè)個(gè)體。再乘以該特定燃料的燃燒熱，然后再新增為源項(xiàng)到能量方程來計(jì)算溫度。2.3 輻射模擬當(dāng)溫度超過1500度（1227）13。系統(tǒng)的輻射換熱變得很重要。這里，燃燒的溫度約為3500度（3227），因此，輻射傳熱需要考慮。使用以下著名的斯忒藩-玻耳茲曼公式進(jìn)行的輻射的計(jì)算： （12）其中E是每單位時(shí)間的輻射換熱，圖2是該氣體的發(fā)射率，R =5.670391058W/（m2K4）為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，A是發(fā)光體的面積，并且T1和T2分別是輻射

12、和接收溫度。一種介質(zhì)的發(fā)射率取決于周圍流體性質(zhì)13。正常的大氣是透明的，因此不參與輻射換熱。燃燒的產(chǎn)物含有高濃度的CO2和H2O，這兩者都是強(qiáng)吸收和發(fā)射器。灰色氣體模型（WSGGM）的加權(quán)和18通常用于定義介質(zhì)的溫度和物種濃度依賴性的發(fā)射率。對于不同的氣體濃度和溫度，WSGGM模型的氣體的輻射率不同，一般0.3到0.5。在本研究中，簡單氣體放射率為恒定值=0.5。輻射能量E是用方程式（12）計(jì)算出每個(gè)個(gè)體，然后從能量方程中減去。2.4 計(jì)算領(lǐng)域在本CFD模擬中使用，具有邊界條件的計(jì)算域的示意圖，如圖2。計(jì)算域只有一個(gè)在圓周方向上單元的是軸對稱和楔形的。為了減少計(jì)算時(shí)間，拉瓦爾噴嘴內(nèi)部流動(dòng)是不包

13、括在計(jì)算內(nèi)。利用等熵理論計(jì)算噴嘴出口處的流動(dòng)條件。 19 噴嘴的出口直徑為0.0147米，它被認(rèn)為是計(jì)算域的入口之一。計(jì)算域?yàn)閺膰娮斐隹谙露?05直徑到垂直于射流中心線噴嘴出口20直徑。在實(shí)驗(yàn)研究中，CH4和O2通過布置在兩個(gè)同心環(huán)圍繞主噴管組成的孔注入如圖3所示。孔的內(nèi)圈用于CH4氣體和孔的外環(huán)供氧。通CH4和O2孔的直徑分別為0.00287米和0.00408米。在本研究中，用于注射CH4和O2噴嘴是假定為環(huán)形，它不同于真實(shí)噴嘴。然而，注入的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，以保持已在實(shí)驗(yàn)研究中CH4和O2相同的流速5。這個(gè)假設(shè)可以解決兩個(gè)方面的問題。圖2 計(jì)算區(qū)域與邊界條件圖3 超音速射流噴嘴的剖面圖和主視圖

14、52.5 邊界條件所有的邊界條件，都選擇符合與安德森等的實(shí)驗(yàn)研究5一個(gè)駐點(diǎn)壓力邊界條件用于計(jì)算域的主射流入口（收斂-發(fā)散噴嘴出口）。馬赫數(shù)和溫度的值被界定在超音速射流入口。對于CH4和覆蓋O2的進(jìn)口要使用質(zhì)量流量的邊界條件。因?yàn)槎S計(jì)算域的夾角為1度，所以原來的質(zhì)量流量除以360。在出口處，采用了靜壓邊界條件。對于對稱平面中，使用對稱邊界條件。在固體壁上，施加一個(gè)無滑移的邊界條件。中央超音速氧氣射流的邊界條件值如表1。當(dāng)中央變成超音速氮?dú)馍淞鲿r(shí)，只有超音速射流入口邊界條件從100%氧變?yōu)?00%的氮，其余部分保持不變。雖然不同的氣體在類似的停滯條件下會(huì)導(dǎo)致不同的靜壓力和溫度是已知的，但我們還是

15、使用了在類似的停滯條件的氮和氧射流，以匹配與實(shí)驗(yàn)研究。表1 邊界條件邊界的名稱邊界條件的類型數(shù)值滯壓914468Pa超音速射流入口馬赫數(shù)總的溫度298K質(zhì)量分?jǐn)?shù)O2=100pct燃料入口質(zhì)量流量10-5Kg/s質(zhì)量分?jǐn)?shù)CH4=100pct覆蓋氧氣入口質(zhì)量流量10-5Kg/s質(zhì)量分?jǐn)?shù)O2=100pct出口靜壓力100000Pa質(zhì)量分?jǐn)?shù)O2=23pctN2=77pct壁面無滑移298K2.6 計(jì)算程序采用分離式求解器與一個(gè)隱含的方法計(jì)算壓力，速度，溫度和密度來解決非定常，可壓縮連續(xù)性，動(dòng)量和能量方程。對于連續(xù)性動(dòng)量方程，利用一個(gè)高階準(zhǔn)確的總變量遞減的AVLSMART方案計(jì)算在池面上的值20。AVL

16、SMART方案是Gaskell和Lau提出的SMART方案的修改21。對于能源和紊流方程，使用一階迎風(fēng)差分格式。壓力速度校正是通過使用SIMPLE算法完成的。22以超前的解決方案的時(shí)候，一階歐拉法20使用了。作為流的速度很高，在非定常計(jì)算中使用的時(shí)間步長為191055秒。該模擬是假設(shè)融合時(shí)的流動(dòng)變量（壓力，流速，溫度等）的歸一化殘差下拉由4個(gè)數(shù)量級。模擬進(jìn)行了利用商業(yè)CFD軟件AVL FIRE2008.2，這是基于控制體積方法。2.7 網(wǎng)格獨(dú)立性試驗(yàn)研究了溶液的網(wǎng)格的靈敏度，是用帶下面的不同網(wǎng)格的水平計(jì)算的相干超音速氧氣射流：粗網(wǎng)格（20,100個(gè)細(xì)胞），中網(wǎng)格（28,000個(gè)細(xì)胞），細(xì)格柵（

17、39,000個(gè)細(xì)胞）。對所有網(wǎng)格的水平軸向速度分布示于圖4。用粗和中等水平格計(jì)算的軸向速度分布的變化的平均百分比小于3厘，隨著X的區(qū)域之間6pct的最大偏差40和60。變化的平均百分比，計(jì)算通過平均在軸向方向上的多個(gè)位置的差異。介質(zhì)和細(xì)網(wǎng)格的水平之間的差異是可以忽略的（小于1厘）。因此，可以說，該解決方案是不向電網(wǎng)敏感。所需的精細(xì)網(wǎng)格級的計(jì)算時(shí)間為約兩倍的介質(zhì)格的水平。因此，與介質(zhì)網(wǎng)格得到的結(jié)果被用于分析和討論在本研究中。圖4 采用粗，中，細(xì)格柵的水平覆蓋氧氣射流中心線軸向速度分布3 結(jié)果與討論3.1 速度分布圖5顯示了超音速氧氣射流在室溫中有和沒有火焰覆蓋的速度分布。對于這兩種情況下，中間的

18、線顯示剛剛從拉瓦爾噴管口射出后的射流速度是反復(fù)波動(dòng)。超音速射流膨脹就會(huì)出現(xiàn)這種不正確的情況。因?yàn)閲娮斐隹趬毫κ悄壳暗难芯恐械沫h(huán)境壓力的大約1.18倍，該輕度膨脹射流23。覆蓋火焰的超音速氧氣射流的潛在核心長度比沒有覆蓋火焰的長四倍以上。傳統(tǒng)的氧射流，經(jīng)過10個(gè)噴嘴出口直徑的噴嘴出口平面后速度逐漸降低?；\罩流注和隨后的燃燒影響主噴射中的壓縮和膨脹波結(jié)構(gòu)。覆蓋燃燒火焰連續(xù)射流是湍流混合層的生長速率的降低原因，這已在第III-C描述了的。Papamoschou和Roshko24表明，當(dāng)周圍環(huán)境密度與噴射密度的比值減小時(shí)，湍流混合層的生長速率降低。如圖6中，燃燒火焰造成低密度區(qū)域圍繞超音速氧氣射流，從

19、而降低了湍流的混合區(qū)域的生長速度。其結(jié)果是，在覆蓋射流擴(kuò)散比常規(guī)射流緩慢。圖5 有和沒有覆蓋火焰的超音速氧氣射流在中心線軸向速度分布圖6對于被覆蓋的氧氣射流密度的CFD模型CFD的結(jié)果與常規(guī)射流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果5一致。對于覆蓋噴射，CFD模型預(yù)計(jì)連續(xù)區(qū)域的軸向速度超過6%。所計(jì)算的射流速度顯示連續(xù)區(qū)域后的比實(shí)驗(yàn)速度擴(kuò)散快速。在CFD結(jié)果顯示噴嘴出口直徑大于70的，與實(shí)驗(yàn)速度一致。連續(xù)區(qū)域后迅速擴(kuò)散的原因可能是由于用一個(gè)個(gè)參與燃燒的所有不同的物質(zhì)的總擴(kuò)散系數(shù)。另一個(gè)原因可能是在燃燒建模時(shí)，一步法燃燒反應(yīng)的假設(shè)，在實(shí)際情況中，這種反應(yīng)有幾個(gè)步驟。在約1500度（1227）的高溫，二氧化碳會(huì)分解成一氧化碳

20、和氧氣13。射流的周圍的氧與一氧化碳發(fā)生反應(yīng)，這也降低了湍流混合層的生長速度。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究之間的差異也可能是由于過程中所涉及的數(shù)字是不確定性的。不確定性的可能的來源表示如下：（a）在模擬中中使用的湍流模型。本文作者15在這里修正的k-模型是對于在煉鋼溫度下沒有涉及燃燒的超音速氣體射流模擬的開發(fā)。模擬紊流燃燒流時(shí)這種修正的k-模型可能會(huì)導(dǎo)致流速和火焰溫度的預(yù)計(jì)的一些不確定性。Jones和Whitelaw25報(bào)道，測得一些出入，并預(yù)測在計(jì)算湍流燃燒流動(dòng)的速度場和溫度等值線時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-型。（b）離散偏微分方程。通過努力，使用細(xì)網(wǎng)格，可以克服這種錯(cuò)誤。（c）用差分格式求解RANS方程。這些差分格式

21、會(huì)在溶液中引入數(shù)值擴(kuò)散誤差。如前所述，AVLSMART被用來在連續(xù)性動(dòng)量方程中減少數(shù)值擴(kuò)散誤差。圖5還顯示了超音速連續(xù)氧氣射流在煉鋼條件下的軸向速度分布。在這項(xiàng)研究中，我們只考慮1700 K（1427）的空氣作為煉鋼條件。在現(xiàn)實(shí)中，爐內(nèi)環(huán)境包含CO，CO2，O 2，H2， 2和其它一些微量物質(zhì)。這種增加是因?yàn)槌羲偕淞鳉怏w周圍燃燒火焰的密度環(huán)境大大小于煉鋼條件下的。因此，噴射擴(kuò)散，因?yàn)榈兔芏缺壤跓掍摰臈l件。沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在文獻(xiàn)中對于相干噴射在煉鋼溫度下使用，因?yàn)樗请y以在這樣高的溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖7示出具有和不具有火焰籠罩在室內(nèi)環(huán)境溫度的氮超音速射流的速度分布?；\罩氮?dú)馍淞鞯臐撛诤诵?/p>

22、長度比傳統(tǒng)的氮?dú)馍淞鞲L的三倍以上。在CFD結(jié)果中覆蓋氮?dú)馍淞鳎骄挥?%偏差，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。從圖5和7，很明顯，通過使用覆蓋火焰，高超音速氧氣射流與超音速氮?dú)馍淞飨啾?，潛在的核心長度增加。這后面觀察法是在下一節(jié)中描述中解釋。圖7 有和沒有覆蓋火焰的超音速氮?dú)馍淞髟谥行木€軸向速度分布圖8顯示了超音速氧和有和沒有籠罩燃燒火焰氮?dú)馍淞鞯臒o量綱半噴射寬度。半射流寬度指的徑向距離從射流中心線所在的射流的速度變成一半的軸向速度。該圖表明，射流的半寬度是類似的常規(guī)的氮?dú)夂脱鯕馍淞?。在這之后，開始增加在更高的速度。這樣做的原因只是從噴嘴出口后迅速增加射流寬度是在中心O2射流的周圍的額外燃燒。因?yàn)樵谌紵龝r(shí)

23、，氣體的密度低于這個(gè)區(qū)域，這反過來又加速了氣體混合物在射流外圍等于超音速噴流的速度，并導(dǎo)致射流寬度的距離拉伐爾噴嘴的出口之后的增加。為超音速籠罩氮?dú)馍淞鳎撋淞鲗挾染徛黾又罼/De=32，然后增加在更高的速度。射流寬度增加速度也可以被定義為在射流的擴(kuò)散速率，這可以表示如下26： （13）圖8示出了通過使用覆蓋燃燒火焰來制射流的擴(kuò)散。換句話說，在覆蓋燃燒火焰大大降低了環(huán)境流體進(jìn)入中央超音速氧氣射流的夾雜。該圖還顯示出在恒定的速率擴(kuò)散，四種不同的射流的潛在核心長度。26。這是因?yàn)闈撛诤诵膮^(qū)域之后的流動(dòng)變成完全湍流和作為一個(gè)自由湍流射流是用于所有情況的。圖8有和沒有火焰覆蓋超音速氧氣和氮?dú)鈬娚湟话?/p>

24、射流的寬度溫度分布圖9示出覆蓋燃燒火焰超音速氧和氮射流的靜態(tài)軸向溫度分布。超音速射流從拉瓦爾噴嘴流出后的溫度出現(xiàn)了一些波動(dòng)，在火焰末端位置迅速增大到最大值，然后緩慢降低至室溫。究其原因，氧氣和氮?dú)馍淞鞯撵o態(tài)溫度的差異是從拉瓦爾噴嘴射出后，相似臨界溫度的兩個(gè)噴嘴。在同一溫度停滯下不同的氣體導(dǎo)致不同的靜態(tài)溫度。Sumi等人27 還觀察到在他們的實(shí)驗(yàn)研究相似軸向靜的溫度分布。此分布是最有可能的，因?yàn)樵谶B續(xù)中心射流是混合在由燃燒火焰產(chǎn)生的熱周圍大氣中的，并且射流的溫度升高。這樣的結(jié)果是熱傳遞從射流到周圍的流體，及射流的溫度慢慢接近環(huán)境條件。Jeong等人12的數(shù)值表明并不能預(yù)計(jì)這種類型的行為。圖9 被

25、覆蓋的氧氣和氮?dú)鈬娚湓谏淞髦行木€的軸向靜溫分布圖10（a）和（b）顯示覆蓋燃燒火焰的氧和氮的射流的形狀。兩種情況的最高火焰溫度是不同的。正如預(yù)期的那樣，火焰最高溫度較高的是有額外的氧氣供應(yīng)氧氣射流。用于有覆蓋氧氣射流，如圖10（a）示出了兩個(gè)燃燒火焰剛剛從噴嘴口后，因?yàn)檠鯕馐菑膬烧叩闹行睦郀枃姽芗翱椎耐猸h(huán)供給，如圖3及燃料從內(nèi)注射環(huán)孔。如圖10（a）所示出了兩個(gè)有覆蓋燃燒火焰的氧氣射流剛剛從噴嘴口出來，因?yàn)檠鯕馐菑膬烧叩闹行睦郀枃姽芗翱椎耐猸h(huán)供給，如圖3及燃料從孔的內(nèi)環(huán)注入。發(fā)生燃燒的燃料流的兩側(cè)，和兩個(gè)火焰合并成一個(gè)單一的初始反應(yīng)區(qū)下游的火焰。然而，對于有覆蓋氮?dú)馍淞?，該二次火焰結(jié)構(gòu)無法

26、形成。如圖10（b）所示，剛剛從噴嘴射出的有覆蓋火焰的氮?dú)馍淞鞯淖畲鬁囟?。由于因?yàn)槌羲偕淞饔懈呶πЧ鹧嫜厮葡蛑醒氲某羲偕淞?。圖10 （a）該被燃燒火焰覆蓋的氧氣射流的形狀（b）該被燃燒火焰覆蓋的氮?dú)馍淞鞯男螤钤谡麄€(gè)模擬預(yù)測得到最高燃燒火焰溫度有4%的波動(dòng)。超音速氧氣射流隨時(shí)間變化，周圍的溫度從3450K（3177）至3600K（3327），代表了實(shí)際的湍流燃燒的情況。28, 29對于超音速氮?dú)馍淞鳎瑥?400K（2127）變化到2500K（2227）。圖10所示是的火焰溫度瞬值的分布。3.3 渦量和湍流的剪應(yīng)力分布渦度是衡量流體單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的流場。渦量也是流體中混合的量度。渦度

27、越高，混合程度越大。在笛卡爾坐標(biāo)系中，渦度矢量可以表示如下： （14）當(dāng)超音速射流穿過相對靜止的空氣，旋轉(zhuǎn)流是在射流的周圍產(chǎn)生，因?yàn)樵谠搮^(qū)域有大量的速度梯度。圖11顯示了有和沒有火焰覆蓋的超音速氧氣射流的渦度外形。圖12示出了在X/De=1，3，8和12中徑向方向上的渦度的大小。隨著距離的增加從噴嘴出口平面的渦區(qū)，逐漸接近射流中心線，和火焰籠罩推遲合并的渦度區(qū)域與射流中心線。例如，在X/De=12，渦區(qū)的延伸到常規(guī)的氧氣射流的射流中心線，而渦區(qū)仍在覆蓋著氧氣射流的射流外圍。然而，隨著噴嘴射出面的距離的增加，渦度的大小可以忽略。圖11（a）常規(guī)氧氣射流渦度等值線CFD模型（b）被覆蓋氧氣射流渦度

28、等值線CFD模型圖12 對于常規(guī)和被覆蓋的氧氣射流渦度量值在不同的軸向位置的徑向分布。有覆蓋的氧氣射流在剪切層中的最大剪切應(yīng)力值約為傳統(tǒng)的射流一半。覆蓋燃燒火焰的超音速射流周圍氣體密度的降低，從而降低了粘度和湍流剪切層內(nèi)的剪應(yīng)力。減少紊流剪切應(yīng)力則延遲的超音速氧氣射流與周圍環(huán)境的混合，這反過來又增加了射流的潛在核心長度。3.4 物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖14顯示了兩個(gè)覆蓋和無覆蓋的情況下沿射流軸線的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。潛在的核心區(qū)域后，在中央射流氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，等于周圍的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在煉鋼中，液態(tài)鐵成鋼是除氧的，而且金屬液界面的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的知識(shí)對于鐵的氧化和脫碳速率的計(jì)算是非常重要的。沖擊區(qū)域中的氧

29、含量越高，沖擊區(qū)域產(chǎn)生的溫度也更高30。圖15顯示覆蓋超音速氧氣射的流徑向分布的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同軸向位置的X /De1，3，8，和12。當(dāng)兩個(gè)火焰合并，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布顯示只有一個(gè)峰。圖16顯示了超音速連續(xù)氮?dú)馍淞飨嗤妮S向位置的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布。正如所料，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有一個(gè)峰被注意到，因?yàn)槿紵话l(fā)生在燃料流動(dòng)的一側(cè)。圖17顯示了所計(jì)算出超音速連續(xù)氧氣射流的CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。該圖表明，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是在燃燒火焰的附近較高，因?yàn)槎趸际侨紵漠a(chǎn)物。H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出類似CO 2的趨勢，因此沒有這里給出。圖13 （a）常規(guī)氧氣射流的湍流剪切應(yīng)力CFD模型（b

30、）被覆蓋氧氣射流的湍流剪切應(yīng)力CFD模型圖14 常規(guī)和被覆蓋氧氣射流的中心線的軸向質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布 圖15覆蓋氧氣射流不同位置的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布 圖16覆蓋氮?dú)馍淞鞑煌恢玫腃O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖17對于被覆蓋的氧氣射流的CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CFD模型4 結(jié)論進(jìn)行了有和沒有覆蓋火焰超音速氧氣和氮?dú)馍淞鞯腃FD模擬。本研究表明，覆蓋燃燒火焰能減小了周圍的氣體夾帶到中央超音速射流的雜質(zhì)，導(dǎo)致超音速射流的擴(kuò)展率降低。它也減小了在剪切層中湍流剪切應(yīng)力的大小，從而延遲了超音速射流與周圍環(huán)境的混合。所以，超音速連續(xù)噴射的潛在核心長度比常規(guī)的射流長。被覆蓋的氧氣射流的潛在核心長度比傳統(tǒng)的氧氣射流要長的四倍以上。在

31、煉鋼溫度下，超音速氧氣射流的潛在核心長度是室溫下的1.4倍。對于被覆蓋氮?dú)馍淞?，潛在核心長度比傳統(tǒng)的氮?dú)馍淞鞲L。CFD的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。本研究中只考慮了CH4和O2的一步完全燃燒。在現(xiàn)實(shí)中，這種燃燒要用幾個(gè)步驟來反應(yīng)。除了CO2和H2O，還生成其他一些微量物質(zhì)，如CO，H2和OH13。對于連續(xù)的超音速氧氣射流，由甲烷氣體和氧氣的不完全燃燒產(chǎn)生的CO，這造成射流周圍的火焰并影響射流的潛在核心長度。合并多級燃燒反應(yīng)需要更多的工作。CFD模型只是針對實(shí)驗(yàn)速度分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在文獻(xiàn)中沒有火焰溫度或不同物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD的結(jié)果進(jìn)行比較。因此，需要更多的實(shí)驗(yàn)研究來建立超音速

32、射流的CFD模型。本研究可以提供一些關(guān)于集束射流技術(shù)有益的見解。燃燒火焰的形狀和溫度對于集束射流是很重要的，這項(xiàng)研究表明，不同的氣體被用作中央超音速射流時(shí)，燃燒火焰的溫度是顯著變化。該模型還預(yù)測了燃燒火焰的溫度最高的位置，以及對于不同吹送條件下的速度分布。如果氣體射流潛在的核心的長度增加，那它在液體表面上的沖擊速度會(huì)更高，這也增加了液滴的生成速率31;雖然，它被要求連續(xù)射流減少產(chǎn)生飛濺4, 6。該模型還可以提供不同物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，這是一個(gè)很重要的功能。爐內(nèi)不同物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響爐內(nèi)的氣體的局部壓力，這反過來又影響到爐內(nèi)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在本研究中建立的模型應(yīng)該有助于確定的覆蓋氣的最佳流速和設(shè)

33、計(jì)更有效的集束射流噴嘴。致謝作者想感謝One Steel的成員，墨爾本對本項(xiàng)目的討論的財(cái)政支持。術(shù)語：Di：物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)E：輻射傳熱(J/s)H：總焓(J/kg)K：湍流動(dòng)能(m2/s2)P：壓力(N/m2)Prt：湍流普朗特?cái)?shù)Sct：湍流施密特?cái)?shù)Sfu：燃油消耗的容積率（kg/m3 S）Sp：擴(kuò)散率T：溫度（K）t：時(shí)間（s） U：速度（m/s） u：波動(dòng)速度（m/s） X：距離（m） Yi：物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ：密度（kg/m3） ：分子粘度（Ns/m2） t：湍流粘度（Ns/m2） ：熱導(dǎo)率（W / mK的） ：湍流擴(kuò)散率（m2/s3） ：發(fā)射率 ：渦度（1/秒） De：噴嘴出口直徑（m）

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