氧气顶吹转炉三孔氧枪的研究

三孔喷头的结构形式、马赫数、小孔夹角和小孔间距等参数的选择,以及吹炼枪位的确定是当前三孔喷头的研究中的几个重要課题。本文结合对喷头的冷态测定和转炉的吹炼实践对上述问题进行了研究。三喉式喷头由于其结构合理,能有效地将氧气压力能转化成射流的动能。同时提出了目前中小型转炉广泛使用的单三式喷头的改造途径。结合射流冲力衰减和实际吹炼枪位的数据,找出了枪位同射流冲力的关系,这样可用冷态测定的数据並指导转炉的枪位操作。在使用三孔喷头的情况下,转炉要顺利地进行吹炼,必须保证有适当的循环比(即射流的冲击半径同熔池半径之比),小孔夹角和间距是对循环比有影响的重要因素。     

三孔旋流喷头

氧枪是顶吹转炉的关键设备。研制新型的氧枪喷头,改善氧气射流对熔池的搅拌作用,以提高吹炼效果,一直是顶吹转炉研究的重要课题。北京钢铁学院于1975年开始进行三孔旋流喷头的水力学模型试验,试验结果表明,在三孔旋流喷头射流作用下,熔池的运动状态得到明显改善。为解决加强熔池搅拌的动力学条件开辟了一条新路。     

多孔喷头孔间距对射流特性影响的数值模拟

为研究多孔喷头孔间距对射流特性的影响,采用Fluent软件中的标准k-ε湍流模型并结合压力隐式分裂算子(PISO)算法对喷头的双孔射流在不同孔间距及不同压强下的速度分布展开研究,并对结果进行了对比分析.研究表明:卷吸现象的存在对射流的发展起到很大的作用,影响卷吸效应的两个关键因素是射流出口速度和喷孔之间的距离.     

附加补偿气体射流冲击熔池方法对不锈钢脉冲MIG高速焊的影响

为提高不锈钢焊接速度并抑制驼峰焊道及咬边缺陷,文中提出人为干预焊后熔池运动的新思路,并通过引入补偿气体射流对高温未凝固熔池进行冲击,实现对不锈钢脉冲MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)熔池进行人为干预而达到改善焊缝成形的目的.该方法利用自制的脉冲MIG焊接熔池补偿气体射流试验平台,以304不锈钢为焊接工件,进行等线能量输入条件下不同焊接速度和不同补偿气体射流流量试验.结果表明,补偿气体射流方法可使焊接速度提高2倍以上,焊缝平直、均匀、美观,无驼峰焊道和咬边缺陷;焊缝截面分析表明,该方法对驼峰部位堆积的液态金属调节率达78.63%,使焊接过程力热效率提升达74.36%.     

三孔喷枪所产生的同源三股射流结构的理论分析

对三孔喷枪所产生的同源三股射流流场中速度分布、温度分布的实验数据进行分,发现各射流剖面上速度的分布不是轴对称的。经过坐标变换并对射流流股内侧按类似伴随流的方法处理后,射流则具有自模性。 若采用提出的射流积分方法,可以求解三孔喷头所产生的同源三股射流主段内的速度场、温度场。文中算出了三孔喷抢射流流场的自模性、射流主段速度分布、温度分布、射流边界扩展规律、射流轴心速度衰减规律等公式,这些公式与实验数据相符合。同时还找出了伴随流速度u_c以及三个流股之间相互干扰与喷孔夹角α之间的函数关系。这些结果为设计三孔喷枪提供了实践和理论的依据。     

环境温度对转炉顶吹氧枪射流特性的影响

联合标准的k-ω湍流模型和雷诺平均的N-S方程,建立了转炉多喷孔氧枪超音速射流可压缩、非等温过程的三维CFD模型,模型的有效性通过实验进行了验证.考察了温度对气体分子黏度的影响,研究了不同温度场下射流动力学特性.结果表明:环境温度对射流速度、密度及温度分布有较大影响,环境温度越高,射流密度越小,速度衰减越慢,速度越大,并且射流径向扩张越厉害;温度越低,射流越易于聚并.随着射流的轴向流动,温度场对射流动压的影响逐渐减小,即射流对熔池的冲击力受环境温度影响减弱,但冲击面积随温度的提高而增大.     

AOD炉用氧枪射流特性的数值模拟

在AOD转炉炼钢过程中,氧枪射流的行为对7台炼效果起着决定性的作用,研究氧枪射流的特性,可以为优化氧枪喷头和氧枪操作工艺提供理论基础。采用标准,κ-ε双方程模型,分析了喷孔倾角对AOD转炉用氧枪射流特性的影响规律。结果表明,在相同的滞止压力（1．2Mpa）下,喷孔倾角减小,射流沿氧枪轴线方向的速度增大,在距喷孔不同距离横截面上动压的面积加权平均值的衰减速度降低。喷孔倾角增大,射流冲击半径增大。对110tAOD转炉,最优的喷孔倾角为9度到10度之间。     

伞衣织物微孔射流透气特性

为研究伞衣微孔透气结构的射流特性，该文基于TexGen建立了2种织物的微观模型，采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)技术开展了不同压差下的孔隙射流流场研究，探究了沿孔隙中心轴线速度和压力的变化规律。结果表明：不同孔隙结构织物均有相似的流场分布规律，孔隙射流存在速度增幅区、速度衰减区、尾流衰减区和尾流过渡区4个区域；沿轴向的速度、压力梯度主要出现在速度增幅区和速度衰减区；中心轴线的最大速度点和最小压强点均位于孔隙喉部后方约0.145t(t为织物厚度)处；尾流衰减区的流动特性不受内外压差的影响，当压差大于200 Pa时，织物孔隙内和尾流场的流动特征参数变化仅由织物结构决定。结合射流区长度与织物透气量间的指数衰减关系提出了普适的射流影响域模型。该文研究方法对探究透气降落伞的精细尾流结构，提高透流伞衣流场模型的准确性具有重要意义。     

自由淹没气体旋转射流速度场实验研究

为研究自由淹没气体旋转射流速度场规律,采用五孔探针对自行设计的旋流器形成的流场进行定量实验研究。测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到了各分速度在不同截面上的量纲一分布图,并进行分析研究。结果证实:轴向速度分布在旋流器出口附近区域与旋流强度有关,在与射流轴心垂直的截面上呈"M"形分布,逐渐发展成"马鞍"状、正态分布,直至衰减到零;切向速度呈中心对称斜"S"状分布,不同截面上的最大值大致出现在同一量纲一半径处;径向速度在半径方向呈"~"形分布,比轴向速度和切向速度小1个数量级;轴向速度和切向速度沿轴向逐渐衰减,衰减随旋流强度增大而增快。     

双射流流动特性数值模拟和PIV实验研究

提出了将同轴直射流与旋转射流组合形成新型双射流的喷嘴结构和原理,并采用RNGk-ε模型对双射流喷嘴内外流场进行了数值计算,结果表明,喷嘴压降一定时,存在3种轴心速度衰减曲线;喷嘴加旋流道导程是决定轴心速度衰减模式的主要因素.存在一个最佳导程可以同时满足大的射流冲击面积和作用距离的要求.应用PIV实验系统对优化后的双射流流场进行了实验研究.     

承德100 t顶吹脱磷钢包流场特性研究

利用水力学模型及数值模拟软件研究了倾角式顶吹单孔氧枪对脱磷钢包内熔池流场所造成的影响,并且研究了倾角角度分别为39o、41o、43o、45o和17o的单孔氧枪对熔池的搅拌效果和冲击特性。研究表明：适当的倾斜角有利与熔池脱磷反应的进行,过大及过小的倾斜角会分别减小冲击深度及冲击直径导致熔池脱磷速率降低。当采用43o顶吹氧枪喷头喷吹时,冲击深度及冲击面积适中,熔池混匀时间及死区体积最小,钢液的平均流动速度最大,有利于促进钢包脱磷过程磷元素的扩散,从而提高脱磷效率。工业试验结果表明,43o脱磷氧枪具有更好熔池搅拌能力,在提高脱磷效果的同时降低了冶炼过程中的钢铁料消耗。     

厨房内吸油烟机射流气幕的参数化研究

针对带有射流气幕和整流板的家用吸油烟机,采用正交试验方法,分别研究了射流速度、射流角度、射流孔宽度、整流板面积和吸油烟机风量对吸油烟机性能及其厨房内环境的影响,最终获得了能够有效控制油烟和热空气逃逸的吸油烟机气幕设计参数。结果表明:吸油烟机风量对厨房内油烟浓度和温度有重要的影响,当吸油烟机风量为10.5m3/min、整流板面积为0.22m2、射流速度为1.5m/s、射流角度为-5°、射流孔宽度为4mm时,厨房内人体舒适度最佳。     

变角氧枪气体射流数值模拟

采用CFD流体模拟软件Fluent6.3,基于压力的分离隐式求解器,运用k-ε双方程模拟了四孔变角氧枪气体射流流场,分析了不同喷孔倾角下气体射流速度和动压分布规律,并确定了适宜的氧枪操作参数.结果表明,与喷孔倾角均为10.5°的喷头A射流相比,喷孔倾角变化1 °或0.5°情况下,气体射流流场基本相似;在射流方向上,射流速度分布和动压分布规律基本一致,喷头A的枪位控制在1 ～1.6m较为适宜;喷孔倾角变化1 °时,喷头B、C、D和E的枪位分别控制在1 ～1.6m、1～1.7m、1～1.8m和1～1.9m较为适宜;喷孔倾角变化0.5°时,喷头F、G、H和I的枪位分别控制在1 ～1.55 m、1～1.6m、1～1.65 m和1～1.75 m时更适于吹炼操作.     

横向来流对等离子体点火器射流特性的影响

为研究航空等离子体点火器的射流特性,采用纹影摄像技术记录了等离子体射流的形成及发展过程,研究来流环境下横向来流速度对航空等离子体点火器射流特性的影响规律.结果表明:在横向来流条件下,来流速度的增大会使得射流偏转角增大,当横向来流速度v m=5 m/s时,射流偏转角θ=15.9°,当横向来流速度vm=20m/s时,射流偏转角θ=77.1°,来流速度增大15m/s,射流偏转角增大3.8倍;同时来流速度增大时,会加大等离子体射流动量与热量的损失速率,导致等离子体射流穿透深度、射流速度、射流面积及射流面积变化率均减小.     

转炉氧枪聚合射流的数值模拟

选取三孔氧枪,建立了可以描述聚合射流特性的数学模型,利用FLUENT软件对转炉炼钢中聚合射流和传统射流分别进行数值模拟,并对模拟结果进行分析。结果表明,保护气体减缓了射流轴向速度的衰减,从而证明聚合射流氧枪在转炉炼钢中的优越性,为今后的研究和实际应用提供理论依据。     

不同伴随流条件下的集束射流流场特性

针对不同伴随流参数条件下的集束射流和普通超音速射流流场特性进行数值模拟和试验研究。研究结果表明:伴随流气体影响喷管出口温度和压力,导致超音速主射流速度和温度出现重复波动;高温、大流量伴随流气体形成的低密度和高速环境可保护超音速射流,降低射流径向的扩展率和轴向速度的衰减速率;伴随流气体温度越高,流量越大,射流速度和温度核心段长度越长。与普通超音速射流相比,伴随流气体改变射流半速度宽度和涡量的分布;伴随流温度越高,流量越大,射流在更长的距离内保持较低的湍流强度。     

25°Ahmed模型射流主动控制气动减阻策略

采用剪切应力输送(SST)κ-ω(湍动能-比耗散率)湍流模型对标准25°Ahmed模型进行基于计算流体力学(CFD)数值模拟的稳态射流减阻研究.在模型尾部设置射流孔,分别探究各位置处射流孔的孔径、到边线的距离、形状、射流速度和角度的最佳值,分析不同射流状态对流场结构、总阻力系数及局部阻力系数的影响.仿真的基本工况与风洞实验数据一致性很好,验证所采用数值方法的准确性和可靠性.研究结果表明,与未设置射流孔的模型相比,设置射流方案的模型尾流结构得以改善,纵向涡得以抑制,同时其阻力系数明显降低.单独位置布置射流孔方案中在斜面上方进行射流时,阻力系数最低,为0.252 2,减阻率为11.3%.通过正交试验获得最佳组合方案得到阻力系数0.246 7,减阻率达13.23%.     

扇形射流的空气动力学特性

基于两种不同的射流孔宽度及宽广的射流参数范围,对扇形射流垂直入射至主流时进行了空气动力学试验研究.测量了不同射流参数下管内的轴向压力分布,并且对不同结构的射流槽的试验结果进行了比较.结果表明:射流出口为锐边时,压力峰值出现在射流下游的稀薄区域;射流出口为圆边时,压力峰值出现在射流入射区.最后,测量了垂直入射时的局部水力损失,发现在高流速比下,水力损失的试验结果明显低于理论计算值.     

釜内单相受限射流流动特性

在高径比为２．５的釜式反应器内,实验考察了内受限射流时均流速的分布特,同时,应用射流相似理论模化了釜内受限射流主要流动参数的变化规律。结果表明,釜内射流可分为射流区和间区;射流芪内速率分布的自相似性,中心速度衰减,射流半宽,扩展角以及郑吸量的变化规律与自由射流相似;回流区的流动特征可由射流区的内速分布得以推断。     

脉冲爆轰发动机近场爆轰噪声特性研究

为探索气液两相脉冲爆轰发动机爆轰噪声形成机理及控制方法,对雾化汽油近场爆轰噪声进行测量分析,建立理论模型并利用时空守恒元/求解元方法(CE/SE)进行数值仿真。结果表明:爆轰噪声主要由冲击噪声和射流噪声组成;冲击噪声在爆轰噪声中占主导作用,并引起爆轰噪声峰值;爆轰噪声峰值与径向距离三次方成反比;在0°、30°、45°和90°方向拟合得到的衰减系数分别为4.3×10-2、3.4×10-2、2.8×10-2和7.0×10-3;脉冲爆轰发动机近场爆轰噪声峰值指向性明显;随着角度的增大,爆轰噪声峰值逐渐降低;随着轴向距离的增加,射流噪声逐渐减小;当轴向距离小于900 mm时,射流噪声衰减速度小于冲击噪声衰减速度,当轴向距离大于1 200 mm时,射流噪声衰减速度大于冲击噪声衰减速度。