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英文文献高燕
学校代码：
10128
学号：
************
本科毕业论文
英文文献翻译
题目：
电磁力应用在中间包内的控流数学模型
学生姓名：
高燕
学院：
材料科学与工程学院
系别：
材料与冶金工程
专业：
冶金工程
班级：
冶金12-1班
指导教师：
路焱/讲师
二〇一六年六月
电磁力应用在中间包内的控流数学模型
AnuragTripathi
摘要
中间包的控流在提高钢的质量上是很重要的。
威尔斯大坝和浇注室的设备用于控制中间包内的流动。
电磁力作为这些设备替代品的调查对现在的工作是客观要求，因此,三维磁流体动力模拟研究了电磁力对中间包流动行为的影响。
对磁流体动力模型进行的仿真实验验证了哈特曼问题的解释，获得的结果显示改善了包括浮动情况在内流场的最佳流动强度。
关键词：
板坯连铸机，中间包，塞体积，平均停留时间，夹杂物浮选，电磁力量
一介绍
在钢铁市场，钢铁的质量正在成为一个要取得利润的最大化的重要参数。
分离钢中夹杂物是获得优质钢的步骤。
去除钢中夹杂物是中间包冶金炼钢过程的一个步骤,从而提高钢的质量。
中间包内夹杂物的上浮情况视包内钢液流动状态而定。
RTD的特征是建立一个预测中间包夹杂物分离的标准。
Ahuja和Saha假设过某些RTD特点实现夹杂物的最大分离比[1-3]。
控制流体流动是取得中间包所需的RTD的特征的一种方法。
中间包内的流体流动通过不同类型的控流调节器来控制。
传统的流动调节器是利用中间包内的坝和堰，坝和堰已经提高了流动特性，却导致有效面积的减少。
设计有效的流动调节器是中间包冶金最新的研究领域。
对于中间包内流动现象的理解是流动调节器设计的先决条件。
不同的研究人员对中间包内流体流动现象做过调查，各种研究人员研究表明浇注过程会强烈的影响中间包内流动行为。
最新的控流调节器的设计是依靠抑制中间包浇注区域的流体。
RD.Morales等人讨论了湍流抑制器在湍流进入中间包的作用，Foseco对倒箱的设计是这个方向上的最新研究，倒箱的设计是为了抑制浇注区域附近的湍流,从而实现所需的RTD的特点。
湍流抑制器是机器设备，需要其他参数（例如覆盖物的位置、下潜深度以及中间包的设计等）提供所需的流动特性。
用外部力量代替这些机械设备才能约束对中间包内其他各种参数的依赖。
术语：
C：
注入示踪剂的质量分数
L：
中间包一半的长度
K:
湍流动能
P：
压力
RTD：
停留时间分布
T：
时间
Tm：
实际平均停留时间
tmin平均停留时间
tr：
理论平均停留时间
u0：
速度波动
V体积
B磁场强度
Z哈特曼数
希腊符号
p钢的密度
u分子粘性的钢铁
uc湍流粘度的钢铁
ueff部件的有效粘度l
sc：
紊流施密特数
ke:
湍流动能耗散率
tss:
湍流剪应力
σ:
导电性
使用外部力量在中间包内控流是在流动改性剂上的一个创新概念。
因此,当前工作的目的是探索用电磁力代替现有的机械设备。
电磁力量的使用仅限于各种钢铁制造商造过程的模具。
电磁力量似乎可以引导中间包内流体流动。
因此，当前使用电磁力作为的中间包流动改性剂同样也是一个增加炼钢过程处理的这些力的应用的研究。
二模型开发
2.1几何描述
对称的一半中间包的模拟能完成实验。
1a和1b显示的是对称的三角型中间包的一半的顶部和垂直剖面图。
中间包的尺寸如图中1a、1b所示。
用于模拟的倒箱维数可以从图2a和2b中看到。
电磁力具体位置的数学模型在中间包的模拟可从图1b中看出，表一是中间包的操作参数，表2显示对仿真进行的研究。
2.2数学公式和假设
中间包流场是通过解决连续性和动量在三维的守恒方程的计算的。
模型为等温条件而发展，在整个中间包室内均钢温度1600C是假设条件。
标准的k–e模型解决了靠近入水和出水处的湍流混合。
假定中间包内液体的自由表面为平面，认为渣的深度是无关紧要的。
将电磁力合并为体积动量方程的源项，忽视自然对流效应，同时计算速度场。
中间包示踪剂的离散方程解决了捕获中间包示踪剂浓度的变化进而分析RTD特征的问题。
表3说明了RTD的表达特点。
控制方程，连续性方程：
表1用于仿真的中间包板脚轮的操作参数
序号
参数
值
1
基线长度（米）
1.1
2
覆盖物的下潜深度（m）
0.35
3
覆盖物直径（米）
0.085
4
出口喷嘴直径
0.081
5
吞吐量（吨/分钟）
3.5
表2选择模拟情况
序号
中间包内控流设备使用
磁场强度（T）
1
设有倒箱
0
2
没有流控制设备
0
3
磁流控制装置
0.1
4
磁流控制装置
0.5
5
磁流控制装置
1
表3表达式RTD特点
序号
RTD特点
表达式
1
理论停留时间（tr）
中间包的体积/体积流率
2
实际平均停留时间（tm）
（i=1,2,3）
3
平均突破时间（tmin）
首次出现示踪剂
4
部分死区体积
VPV=tmin/tr
5
死体积分数
VDV=1-tm/t
6
混合体积分数
VMV=1-VPV-VDV
动量方程：
层流剪切力
由雷诺数得出的剪切力
Ui是第i个组件速度矢量,i和j改变x,y,z方向,如果是体积源项在洛伦兹力的动量方程。
洛伦兹力：
Ji是电流密度和Bi是磁场强度在X,Y和Z方向。
使用欧姆定律和Ei=0
分散追踪：
湍流动能：
扩散率：
这里的Փ是（6）、（7）中的
2．3边界条件
如图1b，动量和连续性方程的边界条件很容易记起。
为中间包内所有的墙设置无滑动边界，标准壁面函数将由湍流引起的变化表现出来。
对称边界条件在对称平面的应用是这个平面上所有正常的变量适用零梯度条件。
1.45m/s的入口速度对应2%入射流湍流强度。
根据参考，零剪切应力边界条件应用在中间包自由表面，在中间包的排水口始终保证1个大气压的边界条件。
示踪剂的浓度对于中间包挡墙来说无影响，因此，零梯度或通量边界条件适用于示踪剂对挡墙的离散方程。
示踪剂的零梯度条件同样适用在自由表面和中间包的排水口处。
入口处示踪剂的质量分数设置为0.11到1.2秒,之后一直保持为零。
1.2s较中间包的平均停留时间是很小的，所以加入示踪剂不会影响所在区域的速度场。
决定这个入口边界条件示踪剂质量分数是辛格和科里亚在进行板坯连铸机中间包实验时示踪剂注入所采用的步骤。
2.4数值计算过程
中间包内一半的计算区域被划分为1.5单位。
对于计算域的每个组有边界条件控制方程单元需要利用有限体积法解答，商业CFD软件包用于解决方程。
就目前的模拟应用到测试设备或混合网格和液态5/6解算器。
解决了电磁力和湍流的动量方程就能得到对稳定状态的描述。
解决了示踪剂浓度的不稳定方程就得到了RTD的数据分析。
简单的算法用于压力速度耦合，高阶算法用于动量方程的离散化。
在整个计算域内分别保持熔融密度和粘度7100公斤/立方米,0.006482公斤/毫秒不变。
三模型验证
电磁力动量方程的验证是解决哈特曼的解析解的问题。
剩余的模型方程早已被辛格和科里亚的实验所验证并发表。
哈特曼流是平行非导电通道和应用横向磁场之间的一个稳定不变的导电粘性流体。
这个问题可以从图3a中看到。
洛伦兹力（即总电磁力）是对流体的运动行为的表现。
将相似类型的类比融入中间包模型方程，选择哈特曼的问题进行验证的原因，这个问题的控制方程与方程式类似。
在这个问题上入口速度保持在2米/秒，没有滑动的条件应用于墙壁。
哈特曼模拟实施在从0到50的特定范围，哈特曼的模拟被定义为电磁力与非电磁力的比率表述。
将获得的结果与解析哈特曼的问题解进行比较
四结果与讨论
中间包三维磁流体动力模拟了不同磁场强度的磁流调节器。
也进行有或没有磁流调节器的中间包三维模拟并比较分析了磁流调节器取得的结果。
所有流模式下的RTD分析和获得的结果都可以从4a和4b中看到，在中间包内流模式下磁场强度的增加所具有的作用是目前仿真研究的方向。
4.1比较倒箱与磁流调节器
比较研究是通过分析流模式在中间包倒箱和磁流调机器的仿真结果获得。
仿真也进行没有调机器的空白中间包的操作参数的分析。
对空白中间包的结果进行了分析并比较浇注室。
这个分析是为了了解获得浇注室的流动模式。
图4显示了不同流动改性剂比较的RTD曲线，对不同调节器的RTD的相关性曲线与速度模式在一列。
4.1.1没有调机器的中间包流动模式
对没有任何调节器的中间包进行了模拟。
在仿真过程中获得的流模式与分析RTD结果所得到的有一定联系。
我们发现在该区域出水口处高些，而在进水口区域明显高于出口。
发展的低速区域高于出口的速度是流体向下运动的原因。
这种低速区的发展明显有助于死体积的显现，如表4。
向中心流动的运动也使死区发展的增快。
定向直下的流量的流模式可以清楚地从图5看到。
部分平原的横向流模式通过覆盖物的入口从图5b中可看到。
循环室在逆时针方向的再循环是中间包没有任何流动调节器直接流入底部的原因之一。
表4报道的塞体积低价值显著低于图4中显示的RTD曲线。
4.1.2具有浇注室中间包的流模式
流模式的设置得到中间包利用倒箱作为流动调节器仿真结果。
将流模式与一个没放置任何调节器的实验进行分析与比较了解倒箱作用。
从图6可以看到中间包流模式的前视图（Y=1.1m）速度概述比图5中发现的速度更均一。
运动的流体是直接指向出口与图5中心平面运动矢量的比较，6b、6c分别显示横向平面的流型（X=3.4米）和垂直中心平面（Z=0米）。
倒箱上方循环的发展让人很容易想起平面（Z=0米）下的流模式。
从图6c中能看出，传入的水流向浇注室上方平面旋转。
这个旋转流对流体表面朝着出口表面平面赋予动力，因此，速度的大小在飞机表面的增加是由于动量转移了旋转流。
旋转流的发展原因可以通过观察横向平面流型图6b获得。
这个浇注腔内循环流
作为运用阻碍物和循环流在垂直中心平面上在移动的中介。
在图中指出流模式的重要观察。
6a和6c的中间包的中心缓慢运动流的地区。
在中心区域的动量损失流入中间包的角落里。
因此，流再分配到中间包的顶部和角落会引起塞体积和死区体积的增加图4，中间包浇注室塞体积的增加反映了RTD曲线tmin的增加。
4.1.3流模式与中间包磁流调节器
对不同磁场强度的流动调节器进行仿真，将获得的结果与仿真结果得到在之前的情况进行分析。
从图1b可以看到电磁区域的位置和尺寸，不同强度磁场在0.1T–1T范围内进行了仿真，电磁力作为假设墙压制传入动荡地区的流体。
图7b和7c显示了流模式0.1t分别显示横向（X=3.4m）和垂直中心平面（Z=0米）磁流模式磁场强度在在前视图（Y=1.1m）的图像。
在图7中的流量剖面看起来与如图5所示没有任何流体调机器得到的剖面图看起来相似但更均匀。
在图7c流体的流型的一致性现象通过细的调查仔可以解释。
进水口处的湍流抑制器被电磁力区域围绕获取。
流量剖面的轮廓形状向着有电磁围绕区域移动，从图7c中可以看出。
在观察中可以看到，湍流的抑制作用下限制流体向下运动，从图5c中看出。
向下运动的限制会导致动量的再分配，因此流量剖面变得更加均匀。
图6c中可以看出循环回路在倒箱上方的发展并没有被图7c中的磁流调节器所观察到。
RTD显示了对死体积比例较大的改善与没有放置任何调节器的比较获得的数据分析。
磁流调节器的RTD特征显示了性能的改进但不适用浇注室。
。
4.2磁场强度对中间包内的流动模式的影响
磁场强度为0.1T的磁流调节器中得到的结果并不足以代替浇注室。
增加磁场强度可以替代磁流动调节器提高的性能。
磁流调节器应以只影响中间包的一部分这样一种方式的设计。
因此,有必要限制磁场区,提高性能。
目的是在中间包小区域应用磁场激励我们研究达到1T的磁场强度的影响，实现性能优越,。
仿真是通过磁场的强度由0.5T增加到1T完成的。
8a-8c显示三个模拟磁场强度为0.5T磁场流型的不同视图获得的仿真结果9a-9c显示的是磁场强度为1T的磁场区域的流模式。
8a-8c中0.5T的磁场区域的流模式与7a-7c磁场流域的流模式相似。
表4所示的RTD特点反映磁场区域为0.5T的磁流调节器的性能的改善。
从表41中可以注意到磁场在夹杂物上浮过程的流动特性影响下磁场强度急剧下降的原因。
RTD特征值在磁场强度为1T的磁场中下降的原因能通过关联流动模式下的RTD曲线得出。
9b和9c（Y=1.1m的飞机和Z=0m,分别）中的流模式与从低场强度的得到的流模式相似。
图9中显示一个与低强度的不同的流动现象b（平面X=3.4）的磁场。
图9中的循环回路b展示了更高的强度和7b和8b相比有局限性的小区域。
中间包的最优值流速应该能最好的夹杂物上浮特征。
中间包的速度增高会形成循环室的，速度超出一定的限制减少产生停滞不前的形成区。
因此,通过控制装置获得最佳流速是一个挑战。
超出一定范围的磁场强度的增加能增强控制力量，这样的水平流速的大小低于最优水平。
从图10a-10c显示出速度在磁场强度分别为0.1T、0.5T和1T的半月面轮廓。
轻微的下降速度可以注意到可以注意到比较磁场从0.5T下降到0.1T速度变化很小，这个下降速度使流体矢量接近最优值。
然而,对磁场为1T的区域，速度进一步下降导致严重偏离最优值。
图11显示了弯月面用中间包长度在不同强度磁场下产生的磁速大小。
图11所示，我们发现磁速大小在1T与在0.1和0.5T的磁场下相比显著低相比。
对于磁场区域内不同磁场强度下的流模式的RTD曲线的优势不同的比较从图4b中可以看出。
五结论
（1）利用三维磁流体动力模拟对电磁力在中间包内的控流作用进行研究，从研究得出的结论记录如下:
（2）对中间包有或没有倒箱比较研究。
倒箱传入流区域的湍流抑制是模拟研究确立的。
（3）倒箱将流体引向流体表面的作用是研究确立。
表面定向流动的结果是改善了包括夹杂物上浮在内的流动特性。
（4）研究磁流调节器作为倒箱的替代的意义。
得到的结果显示，某些流动特性与没有倒箱取得结果相似。
（5）对不同模下的RTD的分析反映出需要对磁场强度做出优化以提高磁流调节器的性能。
（6）磁流调节器可以作为中间包调节器的替代。
参考文献
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