大方坯结晶器内流场及自由液面的数值模拟

　　大方坯连铸结晶器内钢水流动具有很强的湍流流动特征,并且伴随着液面波动现象产生。它们都与连铸工艺和浸入式水口结构参数等因素有关。文中针对鞍山钢铁集团公司(以下简称鞍钢)四机四流大方坯结晶器内钢水波动及液面波动状况,采取数值计算,优化连铸工艺参数和浸入式水口结构。

　　1　数学模拟和边界条件

　　1.1　数学模拟研究对象

　　对大方坯连铸结晶器内钢水流动行为的研究主要考察以下两部分金属:

　　(1)结晶器内的钢水和坯壳;

　　(2)浸入式水口内腔中的钢水。

　　1.2　流场计算涉及的基本方程

　　基于上述空间结构和恒定的拉坯速度,结晶器内钢水流动呈稳态,对此湍流流动过程的数学描述分别需要以下微分方程:

　　(1)连续方程;

　　(2)时均化的Navior-Stokes方程;

　　(3)标准k-ε模型。

　　在CFX软件中,上述方程及其数值求解算法均已内置,可以直接调用。

　　1.3　液体自由液面的计算方法

　　CFX软件4.4版本提供了1种计算自由液面的方法。该方法基于单相流流场计算,在自由液面上忽略了界面张力和相间切应力的存在,而仅仅考虑流体内部动压和液面在重力负方向上波动带来的静压之间的平衡关系。自由表面形状通过表面区域网格在计算过程的动态拉伸来最终形成。

　　结合连铸过程结晶器钢水液面波动的具体特点,上述的计算方法基本上是适合的。由于在实际情况下,连铸保护渣层具有3层结构,即熔渣层、烧结层和粉渣层,它们对钢水流动作用是十分复杂的,将它们充分考虑到数值计算中存在困难，因此,在此不予考虑。

　　1.4　边界条件[1]

　　(1)水口壁面边界条件水口壁面上所有速度分量均为零;k和ε在近壁区域采用壁函数处理;

　　(2)坯壳壁面边界条件坯壳壁面上除拉坯方向速度分量按拉坯速度设定外,其它速度分量均设为零;k和ε在近壁区域用壁函数处理;

　　(3)对称面和自由液面边界条件垂直于对称面或自由液面的法向速度分量为零,对称面上的k和ε取/xi=0(xi为垂直于对称面坐标方向),自由液面上的动量方程和k、ε按零剪切力滑移壁面处理;

　　(4)进口边界条件进口处的法向速度按进口流量的平均值设定,k、ε分别取如下二式的计算值:

　　kinlet=0.01·u2inlet (1)

　　εinlet= k3/2inlet/ro (2)

　　(5)出口边界条件按坐标局部单向化的要求,取出口法线正方向上所有变量的梯度为零。