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超音速聚合射流氧枪射流特性的基础研究

吕国成  
【摘要】:氧枪是现代氧气炼钢过程中至关重要的吹氧工具,其性能的优劣主要取决于由氧枪喷头喷射出的氧气射流的特性。针对于电炉中使用的聚合射流技术特点,本文分别采用实验室射流测试实验、高温模拟实验及数值模拟的研究方法,系统地研究了传统超音速氧枪及聚合射流氧枪的射流特性,其目的是为聚合射流技术在炼钢上的应用提供理论基础。 实验室物理模拟实验是利用微机控制液压伺服多点压力快速扫描的氧枪检测系统,对传统超音速氧枪和带氦气伴随的聚合射流氧枪进行常温实验测试,并且对用丙烷和纯氧的燃烧形成的聚合射流进行了聚合射流氧枪的高温模拟实验。通过常温实验测试得到了传统超音速氧枪射流中心线上速度的衰减规律;由低密度氦气伴随的聚合射流流场的速度分布规律。聚合射流的高温模拟实验过程和现象表明由于主射流外部的高温燃烧火焰的环绕,聚合射流更加具有刚性,可以形成一种类似于激光束的射流,使其在一定程度上保持中心氧气射流相对聚合的特征。 数值模拟依据计算流体力学原理,利用GAMBIT分别建立了氧枪喷头Laval喷管、传统超音速氧枪和聚合射流氧枪射流的数学模型,采用FLUENT软件对氧枪射流特性进行了数值仿真研究。重点讨论了不同工况下Laval喷管内的流动状况、传统超音速射流在不同的操作压力和环境温度时的流动特征以及带有氦气伴随流情况时,不同工艺参数对聚合射流流场的流动特征的影响。数值模拟结果表明,与传统超音速射流相比,超音速聚合射流氧枪轴线上速度的衰减比较缓慢,核心区长度和超音速区域长度明显增加,使中心射流在距出口更长的距离内保持其初始速度和冲击动量。


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