1 绪论 1
1.1 钢液的流动现象及冶金功能 1
1.1.1 钢包精炼 1
1.1.2 中间包冶金 2
1.1.3 结晶器冶金 3
1.2 流体流动的研究方法 4
1.3 计算流体力学在炼钢中的应用概述 5
1.3.1 钢包精炼过程数值模拟 5
1.3.2 中间包冶金过程数值模拟 7
1.3.3 结晶器冶金过程数值模拟 8
参考文献 9
2 炼钢中的流体流动现象及模型化 12
2.1 CFD基本控制方程 12
2.1.1 连续性方程 12
2.1.2 动量方程 13
2.1.3 能量方程 15
2.1.4 湍流附加方程 18
2.1.5 初始条件及边界条件 19
2.2 单相流动 20
2.2.1 RANS控制方程 20
2.2.2 LES控制方程 21
2.3 多相流动 22
2.3.1 离散相模型 22
2.3.2 VOF模型 26
2.3.3 双流体模型 27
2.4 相变流动 28
2.4.1 钢液运动方程 29
2.4.2 凝固过程能量方程 30
2.5 电磁场 31
2.5.1 磁场的计算 31
2.5.2 流场的计算 31
2.5.3 电磁力的计算 31
参考文献 32
3 炼钢中的湍流模型 34
3.1 湍流数值模拟方法 34
3.2 直接数值模拟 35
3.3 雷诺时均模拟 36
3.3.1 标准k-ε模型 37
3.3.2 RNG k-ε模型 38
3.3.3 标准k-ω模型 39
3.3.4 SST k-ω模型 41
3.3.5 雷诺压力模型 43
3.3.6 模型的缺陷 46
3.4 大涡模拟 46
3.4.1 基本思想 47
3.4.2 滤波 47
3.4.3 大涡模拟控制方程 49
3.4.4 亚格子模型 50
参考文献 53
4 计算流体力学的数值方法 55
4.1 常用的数值求解方法 55
4.1.1 有限差分法 55
4.1.2 有限体积法 58
4.1.3 有限元法 61
4.2 计算区域的划分 62
4.3 对流-扩散方程的离散格式 63
4.3.1 中心差分和迎风差分 64
4.3.2 混合格式、指数格式及乘方格式 66
4.3.3 二阶迎风格式 69
4.3.4 QUICK格式 70
4.3.5 不同离散格式的对比 72
4.4 压力修正法 73
4.4.1 基本思想 73
4.4.2 SIMPLE算法 73
4.4.3 修订的SIMPLE算法 75
4.4.4 COUPLED算法 78
4.4.5 不同压力修正法的对比 79
4.5 代数方程的数值解法 80
4.5.1 直接方法 81
4.5.2 迭代方法 83
4.5.3 加速技术 83
参考文献 84
5 钢包内钢-渣-气三相流动 85
5.1 钢-渣-气三相流动的数学建模 85
5.1.1 基本假设 85
5.1.2 控制方程 86
5.1.3 模型建立及网格化 87
5.1.4 边界条件 87
5.2 钢包内钢液流动的基本特征 88
5.3 钢包内钢液流动行为的控制 89
5.3.1 氩气流量的控制 89
5.3.2 喷嘴位置对钢包内钢液流动的影响 93
5.3.3 喷嘴角度对钢包内钢液流动的影响 97
5.4 大涡模拟在钢包中的应用 101
5.4.1 数学模型 101
5.4.2 气泡合并行为及粒径分布 103
5.4.3 非稳态渣-金界面行为 104
5.4.4 剪切流及卷渣现象 105
参考文献 107
6 感应加热中间包内的流动及夹杂物运动 108
6.1 磁／热／流耦合模型的建立 109
6.1.1 基本假设 109
6.1.2 电磁场 109
6.1.3 流体流动 111
6.1.4 传热过程 111
6.1.5 模型建立及网格化 111
6.1.6 边界条件 113
6.2 磁流体流动与传热耦合数值分析 113
6.2.1 模型验证 113
6.2.2 电磁场分布 115
6.2.3 钢液的流动情况 118
6.2.4 钢液温度分布 120
6.2.5 示踪剂浓度分布 126
6.3 夹杂物运动 127
6.3.1 物理模型及网格 127
6.3.2 夹杂物运动的数学模型 127
6.3.3 结果与分析 128
参考文献 142
7 结晶器内钢液瞬态非对称流动的大涡模拟 144
7.1 大涡模拟数学模型 144
7.1.1 基本方程 144
7.1.2 模型建立及网格化 145
7.1.3 数值细节 146
7.2 模型的验证 147
7.3 瞬态流场结构 149
7.4 偏流流场及周期性分析 152
7.5 漩涡结构及产生机理 157
参考文献 159
8 结晶器凝固前沿氩气泡和夹杂物的瞬态运动 161
8.1 凝固过程数学模型 162
8.1.1 连续介质大涡模拟运动方程 162
8.1.2 凝固过程能量方程 163
8.1.3 数值细节 163
8.2 颗粒传输与捕捉模型 164
8.2.1 颗粒传输模型 164
8.2.2 颗粒动态捕捉模型 166
8.3 模型的验证 167
8.4 凝固坯壳内的瞬态流场 170
8.5 氩气泡和夹杂物的瞬态运动及统计 171
8.5.1 瞬态运动分布 171
8.5.2 捕捉统计 175
参考文献 178
9 氩气-钢液两相瞬态非对称流动的大涡模拟 181
9.1 Euler-Euler-LES模型 181
9.1.1 Euler-Euler双流体模型 181
9.1.2 LES模型 182
9.1.3 气泡诱导湍流 182
9.1.4 相间作用力模型 183
9.1.5 数值细节 183
9.2 模型的验证 185
9.3 氩气-钢液两相瞬态流动结果与分析 186
9.3.1 瞬时含气率分布 186
9.3.2 两相瞬态流场结构 188
9.3.3 两相偏流流场 191
9.3.4 上表面裸露点 192
9.4 拉速对两相流动的影响 193
9.5 吹气量对两相流动的影响 196
参考文献 199
10 结晶器内多尺寸泡状流的人口平衡模型 201
10.1 多组群质量传递模型数学建模 202
10.1.1 双流体MUSIG模型 202
10.1.2 气泡的破碎率 203
10.1.3 气泡的聚并率 204
10.1.4 模型的封闭 204
10.1.5 数值细节 206
10.2 气泡粒径对气液两相流动的影响 208
10.2.1 含气率分布 208
10.2.2 钢液流型 209
10.3 数值方法的考核 211
10.3.1 网格独立性考核 211
10.3.2 弥散相子气泡组考核 212
10.4 多尺寸泡状流预测结果与分析 213
10.4.1 含气率分布 213
10.4.2 流场分布 215
10.4.3 Sauter平均粒径分布 216
参考文献 219
11 气液两相流相间动量传递模型数值研究 220
11.1 非均相MUSIG模型的建立 220
11.1.1 非均相双流体MUSIG模型 220
11.1.2 封闭的相间动量传递模型 222
11.1.3 数值细节 222
11.2 湍流传递机制数值研究 225
11.3 相间作用力机制数值研究 227
11.3.1 曳力 227
11.3.2 侧升力 229
11.3.3 虚拟质量力 229
11.3.4 湍流离散力 231
11.3.5 壁面润滑力 233
11.4 实际氩气泡粒径的预测 234
11.5 问题与展望 236
参考文献 236
索引 238