集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 魏光升朱荣陈书江刘福海董凯姚柳洁 Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures WEI Guang-sheng,ZHU Rong,CHENG Shu-jiang,LIU Fu-hai,DONG Kai,YAO Liu-jie 引用本文： 魏光升，朱荣，陈书江，刘福海，董凯，姚柳洁.集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响.工程科学学报，2020,42S: 76-82.doi10.13374j.issn2095-9389.2020.03.20.s17 WEI Guang-sheng,ZHU Rong,CHENG Shu-jiang.LIU Fu-hai,DONG Kai,YAO Liu-jie.Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):76-82.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.03.20.s17 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.20.s17 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于单相LBM模拟大平板反重力充型过程 Simulation of large plate castings in counter-gravity mould filling process based on single-phase LBM 工程科学学报.2018.40(1：99htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.013 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 Numerical simulation of flue gas desulfurization by horizontal spray tower 工程科学学报.2018.40(1)：17 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.003 铌硅基高温合金定向凝固俦造温度场模拟计算 Simulation of temperature field in directional solidification casting of NbSi based alloys 工程科学学报.2020.42(9外：1165htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.02.001 结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响 Numerical simulation of mold rotation and its effect on carbides in HSS ESR ingot 工程科学学报.2020,42(4：516 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.07.001 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报.2018,40(4：389 https:oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.001 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报.2018,40(6：754 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.014

集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 魏光升 朱荣 陈书江 刘福海 董凯 姚柳洁 Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures WEI Guang-sheng, ZHU Rong, CHENG Shu-jiang, LIU Fu-hai, DONG Kai, YAO Liu-jie 引用本文: 魏光升, 朱荣, 陈书江, 刘福海, 董凯, 姚柳洁. 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 76-82. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17 WEI Guang-sheng, ZHU Rong, CHENG Shu-jiang, LIU Fu-hai, DONG Kai, YAO Liu-jie. Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 76-82. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.03.20.s17 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于单相LBM模拟大平板反重力充型过程 Simulation of large plate castings in counter-gravity mould filling process based on single-phase LBM 工程科学学报. 2018, 40(1): 99 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.013 卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟 Numerical simulation of flue gas desulfurization by horizontal spray tower 工程科学学报. 2018, 40(1): 17 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.003 铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算 Simulation of temperature field in directional solidification casting of NbSi based alloys 工程科学学报. 2020, 42(9): 1165 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.02.001 结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响 Numerical simulation of mold rotation and its effect on carbides in HSS ESR ingot 工程科学学报. 2020, 42(4): 516 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.07.001 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报. 2018, 40(4): 389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.001 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles 工程科学学报. 2018, 40(6): 754 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.014

工程科学学报.第42卷.增刊1：76-82.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:76-82,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17;http://cje.ustb.edu.cn 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 魏光升)，朱荣12)，陈书江)，刘福海2,4)区，董凯，姚柳洁) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学流体与材料相互作用教有部重点实验室，北京1000833)扬州高立 达科技产业有限公司.扬州2258004)北京科技大学国家材料服役安全科学中心.北京100083 ☒通信作者，E-mail:liufuhaisteel@126.com 摘要采用数值模拟及热态燃烧实验方法，分析了3种不同集束氧枪末端几何结构在常温及高温条件下的射流速度场及 温度场分布特性，并重点研究了常用枪位条件下射流动压对熔池的冲击形貌特点的影响.研究结果表明，采用收束式约束集 束氧枪可有效抑制射流能量向径向的扩散，从而延长伴随流高温区长度，达到提高超音速射流核心段长度及熔池搅拌效果的 目的. 关键词集束射流；流场：燃烧试验；数值模拟 分类号TG142.71 Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures WEI Guang-sheng,ZHU Rong2),CHENG Shu-jiang,LIU Fu-ha,DONG Kai,YAO Liu-jie 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Fluid Interaction with Material (Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Yanzhou Gaolida Co.Ltd.,Yanzhou 225800.China 4)National Center for Materials Service Safety.University of Science and Technology Beijing.Beijing 00083,China Corresponding author,E-mail:liufuhaisteel@126.com ABSTRACT Coherent lances have been playing an extremely important role in the process of supplying oxygen to an electrical arc furnace,which has been widely used in metallurgy,and its metallurgical and operational benefits have been well reported.When compared with the conventional supersonic oxygen lance,the coherent lance could increase the oxygen utilization rate,strengthen penetration ability,and achieve a good stirring effect.However,there was limited research about the flow field characteristics of a coherent jet using different restriction structures for a coherent lance tip.This paper analyzed velocity and temperature profiles at various parameters and conditions.Both numerical simulation and combustion experiment have been carried out to investigate the velocity and temperature profiles using three kinds of restriction structures at room and high ambient temperature conditions.Further,the impact diameter and depth of the molten bath have also been analyzed at a certain lance height.The result shows that the restriction structure could delay energy transmission in a radial direction,which enlarges a high-temperature zone in an axial direction,resulting in the increase of the velocity potential core length and the improvement of the mixing ability of the main oxygen jet. KEY WORDS coherent lance;flow field;numerical simulation;combustion experiment 氧枪作为转炉及电弧炉炼钢的关键供氧设备 氧气射流可有效穿透渣层，使熔池内部钢液得到 广泛应用于国内外冶金行业，其所形成的超音速 充分搅拌-刘在超音速氧气射流由瓦拉尔喷管到 收稿日期：2020-03-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804028)：中央高校基本科研业务资助项目(FRF-TP.17-007A1)

集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 魏光升1)，朱    荣1,2)，陈书江3)，刘福海2,4) 苣，董    凯1)，姚柳洁1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学流体与材料相互作用教育部重点实验室，北京 100083    3) 扬州高立 达科技产业有限公司，扬州 225800    4) 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083 苣通信作者，E-mail：liufuhaisteel@126.com 摘    要    采用数值模拟及热态燃烧实验方法，分析了 3 种不同集束氧枪末端几何结构在常温及高温条件下的射流速度场及 温度场分布特性，并重点研究了常用枪位条件下射流动压对熔池的冲击形貌特点的影响. 研究结果表明，采用收束式约束集 束氧枪可有效抑制射流能量向径向的扩散，从而延长伴随流高温区长度，达到提高超音速射流核心段长度及熔池搅拌效果的 目的. 关键词    集束射流；流场；燃烧试验；数值模拟 分类号    TG142.71 Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures WEI Guang-sheng1) ，ZHU Rong1,2) ，CHENG Shu-jiang3) ，LIU Fu-hai2,4) 苣 ，DONG Kai1) ，YAO Liu-jie1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of Fluid Interaction with Material (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Yanzhou Gaolida Co. Ltd., Yanzhou 225800, China 4) National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liufuhaisteel@126.com ABSTRACT    Coherent lances have been playing an extremely important role in the process of supplying oxygen to an electrical arc furnace,  which  has  been  widely  used  in  metallurgy,  and  its  metallurgical  and  operational  benefits  have  been  well  reported.  When compared  with  the  conventional  supersonic  oxygen  lance,  the  coherent  lance  could  increase  the  oxygen  utilization  rate,  strengthen penetration  ability,  and  achieve  a  good  stirring  effect.  However,  there  was  limited  research  about  the  flow  field  characteristics  of  a coherent jet using different restriction structures for a coherent lance tip. This paper analyzed velocity and temperature profiles at various parameters and conditions. Both numerical simulation and combustion experiment have been carried out to investigate the velocity and temperature  profiles  using  three  kinds  of  restriction  structures  at  room  and  high  ambient  temperature  conditions.  Further,  the  impact diameter and depth of the molten bath have also been analyzed at a certain lance height. The result shows that the restriction structure could  delay  energy  transmission  in  a  radial  direction,  which  enlarges  a  high-temperature  zone  in  an  axial  direction,  resulting  in  the increase of the velocity potential core length and the improvement of the mixing ability of the main oxygen jet. KEY WORDS    coherent lance；flow field；numerical simulation；combustion experiment 氧枪作为转炉及电弧炉炼钢的关键供氧设备 广泛应用于国内外冶金行业，其所形成的超音速 氧气射流可有效穿透渣层，使熔池内部钢液得到 充分搅拌[1−2] . 在超音速氧气射流由瓦拉尔喷管到 收稿日期: 2020−03−20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51804028）；中央高校基本科研业务资助项目（FRF-TP-17-007A1） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：76−82，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 76−82, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17; http://cje.ustb.edu.cn

魏光升等：集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 77 钢液表面过程中，氧气射流的冲击穿透能力受到 随CO2混入比例的提高而降低，但降低幅度逐渐下 不稳定炉气持续干扰而不断下降，削弱了其熔池 降.目前，国内外研究人员主要利用数值模拟及热态 搅拌效果为提高氧气射流对熔池的冲击搅拌 燃烧实验方法开展集束射流流场分布特点研究， 效果，冶金工作者提出了集束射流技术，即采用燃 并根据结果对集束氧枪结构参数进行优化升级， 气及氧气形成高温燃烧火焰以包裹中心主氧射 再结合后续工业试验生产数据确定优化后集束氧 流，达到隔绝炉气对氧气射流的不利影响的目的. 枪结构参数的可靠性及合理性.现有研究成果大 受集束氧枪工况及供气模式限制，集束氧枪大多 多研究集束氧枪中拉瓦尔喷管结构参数或供气模 只应用于电弧炉炼钢过程，但其冶金性能及经济 式对射流流场分布特点的影响，集束氧枪末端结构 优势已得到广泛认可-6.目前，主要通过两种方 参数对氧超音速射流影响规律的相关研究较少 法实现集束氧枪主氧射流冲击搅拌能力的进一步 本研究首先确定了集束氧枪主氧拉瓦尔喷管 提升：首先是提高气源来流温度或燃气配比含量， 及伴随流喷嘴的初始结构及布置模式，且在相同 用于增大集束射流的初始内能：其次是优化拉瓦 气源来流状态下进行相关模拟与实验研究，通过 尔管及伴随流喷口的几何结构参数，用于抑制流 对不同轴向位置下主氧射流的速度及温度进行在 股间的相互干扰，提高射流稳定性7 线测量，对比数值模拟结果的可靠性，分析了3种 Liu等)分析了环缝式拉瓦尔喷管结构对高温 不同的氧枪末端约束结构对主氧射流流场分布模 伴随射流流动特性的影响规律，结果表明虽然氧射 式的影响规律，并对比了常用枪位下集束射流对 流核心段长度随伴随流初始温度的提高而增大， 熔池表面的冲击特点 但氧气核心段速度则呈下降趋势.Odenthal等详 1集束氧枪结构 细总结了不同拉瓦尔喷管几何结构在相同喷吹模 式下主氧射流形貌分布模式及相关工业试验数 本研究氧枪参数如图1所示，其主要区别为枪 据.wei等o分析了利用CO,作为部分伴随流气 身末端是否具有对集束射流的约束结构.后文中， 源条件下，不同混入状态对主氧射流速度场及温 将收束式与直管式约束集束氧枪分别简称为收束 度场的影响规律，认为主氧射流轴向速度及温度 集束氧枪及直管集束氧枪.本研究所采用主氧拉 z7171 Y72以z 4545 90 a (b (c) (d) 图1不同结构氧枪参数截面示意图.(a)收束式约束集束氧枪：(b)直管式约束集束氧枪：(c)传统集束氧枪：(d)传统超音速氧枪（单位：mm) Fig.1 Schematic of the different lance structures:(a)flap restricted coherent lance;(b)open restricted coherent lance;(c)conventional coherent lance. (d)conventional lance (unit:mm)

钢液表面过程中，氧气射流的冲击穿透能力受到 不稳定炉气持续干扰而不断下降，削弱了其熔池 搅拌效果[3−4] . 为提高氧气射流对熔池的冲击搅拌 效果，冶金工作者提出了集束射流技术，即采用燃 气及氧气形成高温燃烧火焰以包裹中心主氧射 流，达到隔绝炉气对氧气射流的不利影响的目的. 受集束氧枪工况及供气模式限制，集束氧枪大多 只应用于电弧炉炼钢过程，但其冶金性能及经济 优势已得到广泛认可[5−6] . 目前，主要通过两种方 法实现集束氧枪主氧射流冲击搅拌能力的进一步 提升：首先是提高气源来流温度或燃气配比含量， 用于增大集束射流的初始内能；其次是优化拉瓦 尔管及伴随流喷口的几何结构参数，用于抑制流 股间的相互干扰，提高射流稳定性[7] . Liu 等[8] 分析了环缝式拉瓦尔喷管结构对高温 伴随射流流动特性的影响规律，结果表明虽然氧射 流核心段长度随伴随流初始温度的提高而增大， 但氧气核心段速度则呈下降趋势. Odenthal 等[9] 详 细总结了不同拉瓦尔喷管几何结构在相同喷吹模 式下主氧射流形貌分布模式及相关工业试验数 据. Wei 等[10] 分析了利用 CO2 作为部分伴随流气 源条件下，不同混入状态对主氧射流速度场及温 度场的影响规律，认为主氧射流轴向速度及温度 随 CO2 混入比例的提高而降低，但降低幅度逐渐下 降. 目前，国内外研究人员主要利用数值模拟及热态 燃烧实验方法开展集束射流流场分布特点研究， 并根据结果对集束氧枪结构参数进行优化升级， 再结合后续工业试验生产数据确定优化后集束氧 枪结构参数的可靠性及合理性. 现有研究成果大 多研究集束氧枪中拉瓦尔喷管结构参数或供气模 式对射流流场分布特点的影响，集束氧枪末端结构 参数对氧超音速射流影响规律的相关研究较少. 本研究首先确定了集束氧枪主氧拉瓦尔喷管 及伴随流喷嘴的初始结构及布置模式，且在相同 气源来流状态下进行相关模拟与实验研究，通过 对不同轴向位置下主氧射流的速度及温度进行在 线测量，对比数值模拟结果的可靠性，分析了 3 种 不同的氧枪末端约束结构对主氧射流流场分布模 式的影响规律，并对比了常用枪位下集束射流对 熔池表面的冲击特点. 1    集束氧枪结构 本研究氧枪参数如图 1 所示，其主要区别为枪 身末端是否具有对集束射流的约束结构. 后文中， 将收束式与直管式约束集束氧枪分别简称为收束 集束氧枪及直管集束氧枪. 本研究所采用主氧拉 45 45 159 99 90 190 130 190 (c) (d) (a) (b) 190 图 1    不同结构氧枪参数截面示意图. （a）收束式约束集束氧枪；（b）直管式约束集束氧枪；（c）传统集束氧枪；（d）传统超音速氧枪（单位：mm） Fig.1    Schematic of the different lance structures: (a) flap restricted coherent lance; (b) open restricted coherent lance; (c) conventional coherent lance; (d) conventional lance (unit: mm) 魏光升等： 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 · 77 ·

·78 工程科学学报.第42卷，增刊1 瓦尔喷管设计马赫数均为2.0，其喉口及出口直径 a(pui） u+ 分别为23.8mm及30.8mm,设计流量2100m3h- Ce dxi +pC1S- 伴随流喷管中心管喷吹甲烷气体，外侧及内侧喷 吹氧气，伴随流喷管半径由内到外分别为42.0mm pCsk+i运 (7) 及57.0mm,伴随流甲烷及氧气流量分别为200m3-h 式中，C1e、C2e、k及o为计算常数，其数值分别为 及100m3h.燃烧实验过程中采用热电偶及水冷 144、1.92、1.0及1.32；u为流动速度.μ为层流黏 皮头管采集主氧中心射流的温度及压力，并根据 度系数，Pas:4为湍流黏度系数，Pas;浮力剪 采集的温度值与压力值计算氧气射流速度，计算 切层内主流方向与重力方向一致时，Ce常数为1； 公式如公式(1)及(2)所示阁： 浮力剪切层内主流方向垂直于重力方向时，C3常 数为0：G及G,分别代表因平均速度梯度与耗散 1) 率产生的湍流动能源项，kgms;YM为可压缩湍 流的脉动值，其计算公式如下： k (2) YM=2p8 (8) 1+Y-1Md yRT 利用涡耗散模型及多组分燃烧机理(GI- 式中，V为氧气射流速度，ms;Ma氧枪设计马赫 Mech3.0)计算集束射流中各项的传质运动模式， 数；p及Po分别为射流动压及静压，Pa:T及T。分 计算公式如下所示： 别为射流动温及静温，K;R为气态常数，JmoK; y为氧气比热容比，数值为1.4 ai(PY)+V-(puY)=-VJ:+R (9) 2数值模拟模型 式中，Y,为局部i项质量分数，%：J:为i项的扩散 率，kg.s-1.m3;R为i项在燃烧过程中的净增速率， 2.1 控制方程 kg.sl.m3 利用雷诺时均纳维-斯托克斯方程(Reynolds- 2.2模型建立 averaged Navier-Stokes equations)对各流动方程 图2为集束氧枪的三维网格几何结构示意图 进行积分，分析可压缩理想气体流动状态的时均 主氧射流及伴随流股流动域为本模型的计算域， 纳维-斯托克斯方程如下所示山 以1D。为主氧拉瓦尔管出口直径长度.为降低拉 连续性方程： 瓦尔管特征直径大小对射流流场发展特性的影 apui =0 (3) Oxi 响，增强研究适用性，本文以D作为长度计量单 动量方程： 位.本数值模拟研究计算域轴向长度为80D。,径向 (puuj） =-p+-p, (4) 直径为25D.初始状态下，计算域充满静止的空 Oxj oxi Ox 气，表1及表2分别为模型边界条件及相关物化 能量方程： 参数 d(pujCpT) bui dgi 模型中CH4的定压摩尔热容(C)为定值 x0xj (5) oxj J0xi 2.252JkgK,空气定压摩尔热容(Cpr)与氧气 式中：4，及4，分别为在i或j方向的平均速度分量， (Cp.oxygen)定压摩尔热容求解方法，分别如式(10) ms;x及x分别为在i或j方向的位置分量，m: 和(11)所示： t为黏性应力，Nm2;T为温度，K;p为氧气实际 Cp.ir=1161.48-2.36×T。+1.49×10-2×T2- 密度，kgm3;Cp为比热容，JkgK;g为物质在 5.03×10-5×T。3+9.93×10-8×T。4-1.11×1010× j方向的热传导矢量，Js T。5+6.54×10-14×T6-1.57×10-17×T。7 采用可实现湍流模型计算射流流场分布模 (10) 式，其中湍流动能(k)及湍流耗散率（ε）计算公式如 Cpm.oxygen=834.83+0.29×T。-1.49×104×T。2+ 下所示叫： 3.41×10-7×T。3-2.28×10-10×T。4 (11) -Gk+Gb-p8-YM 本研究中，各项气体密度均采用理想气体模 (6) 型计算.数值模拟计算模型采用压力基计算方法

瓦尔喷管设计马赫数均为 2.0，其喉口及出口直径 分别为 23.8 mm 及 30.8 mm，设计流量 2100 m 3 ·h−1 . 伴随流喷管中心管喷吹甲烷气体，外侧及内侧喷 吹氧气，伴随流喷管半径由内到外分别为 42.0 mm 及 57.0 mm，伴随流甲烷及氧气流量分别为 200 m3 ·h−1 及 100 m3 ·h−1 . 燃烧实验过程中采用热电偶及水冷 皮头管采集主氧中心射流的温度及压力，并根据 采集的温度值与压力值计算氧气射流速度，计算 公式如公式（1）及（2）所示[8] ： V = vt 2RTγ γ−1   ( po p )(γ−1)/γ −1   （1） T = To   1 1+ γ−1 2 Ma2   （2） 式中，V 为氧气射流速度，m·s−1 ；Ma 氧枪设计马赫 数 ；p 及 po 分别为射流动压及静压，Pa；T 及 To 分 别为射流动温及静温，K；R 为气态常数，J·mol−1·K−1 ； γ 为氧气比热容比，数值为 1.4. 2    数值模拟模型 2.1    控制方程 利用雷诺时均纳维−斯托克斯方程（Reynolds￾averaged Navier–Stokes equations）对各流动方程 进行积分，分析可压缩理想气体流动状态的时均 纳维−斯托克斯方程如下所示[11] . 连续性方程： ∂ρui ∂xi = 0 （3） 动量方程： ∂(ρuiuj) ∂xj = − ∂p ∂xi + ∂(τi j −ρuiuj) ∂xj （4） 能量方程： ∂(ρujCpT) ∂x j = uj ∂p ∂x j +τi j ∂ui ∂xj − ∂qj ∂xj （5） 式中：ui 及 uj 分别为在 i 或 j 方向的平均速度分量， m·s−1 ；xi 及 xj 分别为在 i 或 j 方向的位置分量，m； τij 为黏性应力，N·m−2 ；T 为温度，K；ρ 为氧气实际 密度，kg·m−3 ；CP 为比热容，J·kg −1·K−1 ；qj 为物质在 j 方向的热传导矢量，J·s−1 . 采用可实现湍流模型计算射流流场分布模 式，其中湍流动能（k）及湍流耗散率（ε）计算公式如 下所示[11] ： ∂ ∂xi (ρkui) = ∂ ∂x j [(µ+ µt σk ) ∂k ∂xi ] −Gk +Gb −ρε−YM （6） ∂(ρεui) ∂xi = ∂ ∂xj ( µ+ µt σε ∂ε ∂xi ) +ρC1εS ε− ρC2ε ε 2 k+ √ uε +C1ε ε k C3εGb （7） 式中，C1ε、C2ε、σk 及 σε 为计算常数，其数值分别为 1.44、1.92、1.0 及 1.3[12] ；u 为流动速度. μ 为层流黏 度系数, Pa·s−1 ；μt 为湍流黏度系数, Pa·s−1；浮力剪 切层内主流方向与重力方向一致时，C3ε 常数为 1； 浮力剪切层内主流方向垂直于重力方向时，C3ε 常 数为 0；Gk 及 Gb 分别代表因平均速度梯度与耗散 率产生的湍流动能源项, kg·m−1·s−3 ；YM 为可压缩湍 流的脉动值，其计算公式如下： YM = 2ρε k γRT （8） 利用涡耗散模型及多组分燃烧机理 （ GRI￾Mech 3.0）计算集束射流中各项的传质运动模式， 计算公式如下所示[12] ： ∂ ∂t (ρYi)+∇ ·(ρuYi) = −∇Ji +Ri （9） 式中，Yi 为局部 i 项质量分数，%；Ji 为 i 项的扩散 率，kg·s−1·m−3 ；Ri 为 i 项在燃烧过程中的净增速率， kg·s−1·m−3 . 2.2    模型建立 图 2 为集束氧枪的三维网格几何结构示意图. 主氧射流及伴随流股流动域为本模型的计算域， 以 1De 为主氧拉瓦尔管出口直径长度. 为降低拉 瓦尔管特征直径大小对射流流场发展特性的影 响，增强研究适用性，本文以 De 作为长度计量单 位. 本数值模拟研究计算域轴向长度为 80De，径向 直径为 25De . 初始状态下，计算域充满静止的空 气 ，表 1 及表 2 分别为模型边界条件及相关物化 参数. 模 型 中 CH4 的 定 压 摩 尔 热 容 （ Cp） 为 定 值 2.252 J·kg−1·K−1，空气定压摩尔热容（Cp,air）与氧气 （Cp,oxygen）定压摩尔热容求解方法，分别如式（10） 和（11）所示： Cp,air = 1161.48−2.36×To +1.49×10−2 ×To 2− 5.03×10−5 ×To 3 +9.93×10−8 ×To 4 −1.11×10−10× To 5 +6.54×10−14 ×To 6 −1.57×10−17 ×To 7 （10） Cp,oxygen = 834.83+0.29×To −1.49×10−4 ×To 2+ 3.41×10−7 ×To 3 −2.28×10−10 ×To 4 （11） 本研究中，各项气体密度均采用理想气体模 型计算. 数值模拟计算模型采用压力基计算方法， · 78 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1

魏光升等：集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 79· 表2气相物化参数 Table 2 Parameters of the gas flow Gas Viscosity/(kg-ms)Thermal conductivity/(W.m1.K-) Oxygen gas 1.919×105 0.0246 CHa 1.087×10-5 0.0332 Air 1.789×105 0.0242 3结果与分析 图2计算域网格结构图 Fig.2 Simulation model of the computational domain 3.1集束射流速度分布规律 图3为不同环境温度及几何结构下集束氧枪 表1数值模拟模型边界条件 主氧射流轴线速度分布模式.图中X代表距拉瓦 Table 1 Simulation boundary conditions 尔出口处的轴向距离.同时，室温及高温条件分别 Lable Type Value 代指环境温度为298K及1700K.如图3所示，数 Mass inlet/(kg's) 0.9921 值模拟与试验测量值结果相近，表明数值模拟结 Main oxygen jet Mass fraction/% 02,100 果可靠.模拟结果表明：在室温条件下，传统集束 Temperature/K 298 氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约束集束氧 Mass inlet/(kgs) 0.1190 枪射流速度核心段长度分别为22D,27D。和 Shrouding oxygen jet Mass fraction/% 02,100 29D:在高温环境下，传统集束氧枪、直管式约束 Temperature/K 298 集束氧枪和收束式约束集束氧枪射流速度核心段 Mass inlet/(kgs) 0.0595 长度分别为26De,29D。及31D。同时，传统超音速 Shrouiding CHa Mass fraction/% CH,100 氧枪在室温和高温时，其速度核心段长度分别为 Temperature/K 298 11和16D。.结果表明，约束式集束氧枪平均速度 Pressure/Pa 101325 核心段长度分别为传统超音速氧枪及传统集束氧 Outlet Mass fraction/% 02,23;N2,77 枪的2.22倍及1.25倍.因此，约束式集束氧枪可 Temperature/K 298,1700 有效提高射流冲击能力，且收束式约束集束氧枪 在抑制射流动能衰减方便效果最优 结合稳态计算模式求解雷诺时均方程.Standard离散 研究结果表明，高温条件下传统超音速氧枪、 方程用于计算气体压力，其他物理项（能量，湍流 传统集束氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约 动能及耗散率)则采用QUICK离散方程进行计算， 束集束氧枪射流速度核心段长度分别为其在常温 壁面选取标准壁面无滑移模式.辐射及灰度方程 条件下的1.45倍、1.18倍、1.07倍和1.07倍.因 分别为DO及WSGG模型.模型收敛标准定义为：能 此，尽管环境温度的提高可有效延长射流速度核 量残差小于10？，其余各相残差小于10，且计算域 心段长度，但其影响效果对传统超音速氧枪最大， 出口平均温度及速度分别小于1.0Kand1.0ms 对收束式约束集束氧枪最弱 500 a 500 400 400 300 300 200 200 100 T=298K 100 7T=1700K 0 0 20 40 60 80 20 40 60 80 XD。 XID. 图3主氧射流轴线速度分布模式.(a)环境温度为298K:(b)环境温度为1700K Fig.3 Axial velocity of main oxygen jet at centerline:(a)the ambient temperature is 298 K;(b)ambient temperature is 1700 K

结合稳态计算模式求解雷诺时均方程. Standard 离散 方程用于计算气体压力，其他物理项（能量，湍流 动能及耗散率）则采用 QUICK 离散方程进行计算， 壁面选取标准壁面无滑移模式. 辐射及灰度方程 分别为 DO 及 WSGG 模型. 模型收敛标准定义为：能 量残差小于 10−7，其余各相残差小于 10−5，且计算域 出口平均温度及速度分别小于 1.0 K and 1.0 m·s−1 . 3    结果与分析 3.1    集束射流速度分布规律 图 3 为不同环境温度及几何结构下集束氧枪 主氧射流轴线速度分布模式. 图中 X 代表距拉瓦 尔出口处的轴向距离. 同时，室温及高温条件分别 代指环境温度为 298 K 及 1700 K. 如图 3 所示，数 值模拟与试验测量值结果相近，表明数值模拟结 果可靠. 模拟结果表明：在室温条件下，传统集束 氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约束集束氧 枪 射 流 速 度 核 心 段 长 度 分 别 为 22De， 27De 和 29De；在高温环境下，传统集束氧枪、直管式约束 集束氧枪和收束式约束集束氧枪射流速度核心段 长度分别为 26De，29De 及 31De . 同时，传统超音速 氧枪在室温和高温时，其速度核心段长度分别为 11 和 16De . 结果表明，约束式集束氧枪平均速度 核心段长度分别为传统超音速氧枪及传统集束氧 枪的 2.22 倍及 1.25 倍. 因此，约束式集束氧枪可 有效提高射流冲击能力，且收束式约束集束氧枪 在抑制射流动能衰减方便效果最优. 研究结果表明，高温条件下传统超音速氧枪、 传统集束氧枪、直管式约束集束氧枪和收束式约 束集束氧枪射流速度核心段长度分别为其在常温 条件下的 1.45 倍 、 1.18 倍 、 1.07 倍和 1.07 倍. 因 此，尽管环境温度的提高可有效延长射流速度核 心段长度，但其影响效果对传统超音速氧枪最大， 对收束式约束集束氧枪最弱. 表 1    数值模拟模型边界条件 Table 1    Simulation boundary conditions Lable Type Value Main oxygen jet Mass inlet/(kg·s−1) 0.9921 Mass fraction/% O2 , 100 Temperature/K 298 Shrouding oxygen jet Mass inlet/(kg·s−1) 0.1190 Mass fraction/% O2 , 100 Temperature/K 298 Shrouiding CH4 Mass inlet/(kg·s−1) 0.0595 Mass fraction/% CH4 , 100 Temperature/K 298 Outlet Pressure/Pa 101325 Mass fraction/% O2 , 23; N2 ,77 Temperature/K 298, 1700 表 2    气相物化参数 Table 2    Parameters of the gas flow Gas Viscosity/(kg·m−1·s−1) Thermal conductivity/(W·m−1·K−1) Oxygen gas 1.919×10−5 0.0246 CH4 1.087×10−5 0.0332 Air 1.789×10−5 0.0242 图 2    计算域网格结构图 Fig.2    Simulation model of the computational domain 0 20 40 60 80 0 100 200 300 400 500 T=298 K Axial velocity/(m·s−1 ) 0 100 200 300 400 500 Axial velocity/(m·s−1 ) 0 20 40 60 80 (a) Flap coherent lance Open coherent lance Conventional coherent lance Conventional lance T=1700 K (b) Flap coherent lance Open coherent lance Conventional coherent lance Conventional lance 图 3    主氧射流轴线速度分布模式. （a）环境温度为 298 K；（b）环境温度为 1700 K Fig.3    Axial velocity of main oxygen jet at centerline: (a) the ambient temperature is 298 K; (b) ambient temperature is 1700 K 魏光升等： 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 · 79 ·