工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 华承健王敏张孟胸郑瑞轩包燕平 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun,ZHENG Rui-xuan,BAO Yan-ping 引用本文： 华承健，王敏，张孟胸，郑瑞轩，包燕平.浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响).工程科 学学报，2021,43(7)：925-934.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.05.05.001 HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun,ZHENG Rui-xuan,BAO Yan-ping.Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7): 925-934.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.05.05.001 在线阅读View online::htps/doi.org/10.13374/.issn2095-9389.2020.05.05.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 Effect of SEN on fluid flow and surface fluctuation in a continuous casting slab mold 工程科学学报.2018.406)：697htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.007 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报.2017,39(7：1027 https:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.07.007 夹杂物对Q235钢耐腐蚀行为的影响 Effect of inclusions on corrosion resistance of carbon steel 工程科学学报.2020,42(S:27 https::/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.03.25.s05 外加Y,Ti,0,纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 Effect of Y2TiO nanoparticles on inclusions in CLAM steel 工程科学学报.2020,42S:21htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 掺杂氧化铝对纳米钨粉烧结过程的影响 Effect of Al,O addition on the sintering behavior of nano tungsten powder 工程科学学报.2020,42(7)：875 https:/oi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.13.001 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AIN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AIN inclusions in TWIP steel 工程科学学报.2017,397)：1008 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.005
浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 华承健 王敏 张孟昀 郑瑞轩 包燕平 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian, WANG Min, ZHANG Meng-yun, ZHENG Rui-xuan, BAO Yan-ping 引用本文: 华承健, 王敏, 张孟昀, 郑瑞轩, 包燕平. 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响[J]. 工程科 学学报, 2021, 43(7): 925-934. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001 HUA Cheng-jian, WANG Min, ZHANG Meng-yun, ZHENG Rui-xuan, BAO Yan-ping. Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 925-934. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 Effect of SEN on fluid flow and surface fluctuation in a continuous casting slab mold 工程科学学报. 2018, 40(6): 697 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.007 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1027 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007 夹杂物对Q235钢耐腐蚀行为的影响 Effect of inclusions on corrosion resistance of carbon steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 27 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s05 外加Y2 Ti2 O7纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 Effect of Y2 Ti2 O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 21 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 掺杂氧化铝对纳米钨粉烧结过程的影响 Effect of Al2 O3 addition on the sintering behavior of nano tungsten powder 工程科学学报. 2020, 42(7): 875 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.13.001 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1008 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005
工程科学学报.第43卷，第7期：925-934.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:925-934,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001;http://cje.ustb.edu.cn 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂 物运动行为的影响 华承健)，王敏四，张孟昀，郑瑞轩2)，包燕平) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院.北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangmin(@ustb.edu.cn 摘要铝镇静钢液浇注过程中，浸入式水口耐材内壁特征受到钢液侵蚀和夹杂物聚集影响，从近光滑壁面逐渐向多孔耐火 材料壁面和含结瘤物的粗糙结瘤壁面转变，壁面形貌的变化影响边界层流场结构和氧化铝夹杂物的输运.采用物理模拟的 方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合粒子图像测速技术研究不同特征壁面附 近流场边界层.使用MATLAB耦合流场测速结果和氧化铝夹杂物运动数学模型，研究了不同特征壁面的流场边界层中氧化 铝夹杂物的运动轨迹.使用象限分析法确定了浸入式水口边界层流场存在上抛和下扫事件.氧化铝夹杂物位于下扫事件区 域时，朝向壁面运动，粒径为1m的氧化铝夹杂物在下扫事件中运动轨迹更接近壁面，增加了沉积的可能性：氧化铝夹杂物 位于上抛事件区域时，远离璧面运动.多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层内氧化铝夹杂物运动幅度大于光滑壁面边界层 流场内氧化铝夹杂物运动幅度.壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料和结瘤壁面时，流场边界层中下扫事件平面占 比由10.17%增加到39.77%，上抛事件平面占比由32.96%减小到9.24%：同时，流场边界层中下扫事件发生的概率由 25.83%增加到2824%，这将加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料和结瘤壁面的沉积进程. 关键词浸入式水口结瘤：粒子图像测速：边界层：上抛事件；下扫事件：夹杂物运动轨迹 分类号0357.4 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun.ZHENG Rui-xuan.BAO Yan-ping 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangmin@ustb.edu.cn ABSTRACT During the Al-killed steel continuous casting process,the molten steel corrosion and the accumulation of alumina inclusion deposits affect the submerged entry nozzle(SEN)wall surface,including the surface morphologies of the smooth wall,porous refractory wall,and clogged wall.The SEN wall surface morphology affects the boundary layer structure and alumina inclusions transport.In this study,a physical modeling method was adopted,and the surface morphologies simulation was realized by filling up the natural porous refractory material and inserting the real clog material in the polymethyl methacrylate SEN model.The velocity in the boundary layer was measured using the particle image velocimetry (PIV)technology,and the alumina inclusions transport path in the boundary layer was calculated by MATLAB software.The MATLAB codes combined the velocity data from the PIV measurement results and the inclusion transport equation.The four-quadrant analysis showed that sweep and ejection events existed in the boundary 收稿日期：2020-05-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774031)：钢铁治金新技术国家重点实验室基金资助项目(41619018)：内蒙古自治区科技成果转 化下划资金项目(NM2019BTO01)
浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂 物运动行为的影响 华承健1)，王 敏1) 苣，张孟昀1)，郑瑞轩2)，包燕平1) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：wangmin@ustb.edu.cn 摘 要 铝镇静钢液浇注过程中，浸入式水口耐材内壁特征受到钢液侵蚀和夹杂物聚集影响，从近光滑壁面逐渐向多孔耐火 材料壁面和含结瘤物的粗糙结瘤壁面转变，壁面形貌的变化影响边界层流场结构和氧化铝夹杂物的输运. 采用物理模拟的 方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合粒子图像测速技术研究不同特征壁面附 近流场边界层. 使用 MATLAB 耦合流场测速结果和氧化铝夹杂物运动数学模型，研究了不同特征壁面的流场边界层中氧化 铝夹杂物的运动轨迹. 使用象限分析法确定了浸入式水口边界层流场存在上抛和下扫事件. 氧化铝夹杂物位于下扫事件区 域时，朝向壁面运动，粒径为 1 μm 的氧化铝夹杂物在下扫事件中运动轨迹更接近壁面，增加了沉积的可能性；氧化铝夹杂物 位于上抛事件区域时，远离壁面运动. 多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层内氧化铝夹杂物运动幅度大于光滑壁面边界层 流场内氧化铝夹杂物运动幅度. 壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料和结瘤壁面时，流场边界层中下扫事件平面占 比由 10.17% 增加到 39.77%，上抛事件平面占比由 32.96% 减小到 9.24%；同时 ，流场边界层中下扫事件发生的概率由 25.83% 增加到 28.24%，这将加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料和结瘤壁面的沉积进程. 关键词 浸入式水口结瘤；粒子图像测速；边界层；上抛事件；下扫事件；夹杂物运动轨迹 分类号 O357.4 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian1) ，WANG Min1) 苣 ，ZHANG Meng-yun1) ，ZHENG Rui-xuan2) ，BAO Yan-ping1) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangmin@ustb.edu.cn ABSTRACT During the Al-killed steel continuous casting process, the molten steel corrosion and the accumulation of alumina inclusion deposits affect the submerged entry nozzle (SEN) wall surface, including the surface morphologies of the smooth wall, porous refractory wall, and clogged wall. The SEN wall surface morphology affects the boundary layer structure and alumina inclusions transport. In this study, a physical modeling method was adopted, and the surface morphologies simulation was realized by filling up the natural porous refractory material and inserting the real clog material in the polymethyl methacrylate SEN model. The velocity in the boundary layer was measured using the particle image velocimetry (PIV) technology, and the alumina inclusions transport path in the boundary layer was calculated by MATLAB software. The MATLAB codes combined the velocity data from the PIV measurement results and the inclusion transport equation. The four-quadrant analysis showed that sweep and ejection events existed in the boundary 收稿日期: 2020−05−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51774031）；钢铁冶金新技术国家重点实验室基金资助项目（41619018）；内蒙古自治区科技成果转 化下划资金项目（NM2019BT001） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：925−934，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 925−934, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001; http://cje.ustb.edu.cn
926 工程科学学报，第43卷，第7期 layer.The fluctuations of the velocity and the turbulent kinetic energy in the normal direction were increased in the porous refractory and the clogged wall boundary layer when the sweep and ejection events existed.The transport of the alumina inclusions with a diameter of 1-15 um was affected by the ejection and the sweep events.The alumina inclusions moved toward the boundary in the sweep event. During the sweep event,the transport path of alumina inclusions with 1 um diameter was close to the boundary;the alumina inclusions were more easily attached to the boundary.The alumina inclusions escaped from the boundary in the ejection event.In the porous refractory and the clogged walls,the alumina inclusion transport path in the normal direction was increased.When the SEN wall's morphologies changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall,the sweep event area proportion increased from 10.17%to 39.77%,and the ejection event area proportion decreased from 32.96%to 9.24%.Moreover,the sweep event's probability increased from 25.83%to 28.24%when the morphologies of the SEN wall changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall,which will increase the alumina inclusion deposition rate in the porous refractory wall and the clogged wall boundary. KEY WORDS submerged entry nozzle (SEN)clogging;particle image velocimetry (PIV);boundary layer;ejection events;sweep events;inclusion transport 浸人式水口内壁随着浇注过程与钢液的反应 滑有机玻璃模型模拟近光滑壁面状态，在有机玻 侵蚀和氧化铝夹杂物的沉积结瘤，其形貌会发生 璃模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物 转变-)，壁面形貌会直接影响壁面边界层流场结 耐材壁面结构来模拟浸入式水口内壁的三种壁 构-，从而影响边界层流体中固体颗粒的输送和 面特征.利用粒子图像测速(PIV)技术测量不同 传递行为-剧铝脱氧钢浸入式水口结瘤物主要为 壁面特征下的流场边界层，再结合数值计算方法 脱氧产物一氧化铝夹杂物？0因此，浸入式水 研究氧化铝夹杂物在流场边界层中的运动轨迹 口内壁边界层流场结构直接影响氧化铝夹杂物在 本研究揭示了边界层流场的拟序结构以及氧化 边界层内的传输行为，与浸入式水口浇注过程的 铝夹杂物在边界层流场中的传输行为，为研究氧 结瘤行为直接相关 化铝夹杂物在浸入式水口壁面沉积和剥离行为 近年来，学者对平板壁面形貌对边界层流场 提供基础 影响开展了相关研究，结果表明：边界层流场 1实验方法 内存在周期性的拟序结构，这种拟序结构的猝发 是边界层内湍流动能和摩擦阻力的主要来源，边 1.1流动相似基本原理 界层流场中的上抛、下扫事件就是典型的拟序结 钢液在浸入式水口内的流动受惯性力、黏性 构，不同表面形貌特征的设计是平板流体流动减 力和重力作用，假设钢液为不可压缩流体，根据流 阻的重要思路.浸入式水口内钢液的流动行为以 动相似原理，考虑原型和模型的雷诺数(Re)和弗 及夹杂物在钢液中传输及在近壁面的碰撞和聚集 劳德数(F)相等21即可以满足相似.使用水作为 是一个典型的边界层流场结构特征解析问题.浸 模拟介质时，根据公式(1)~公式(5)计算得出模 入式水口内宏观流场中同样存在周期性的拟序 型与原型比例接近1：1.因此，本研究设计了 1:1的水力学模型.根据公式(3)和公式(4)，当采 结构，这种拟序结构与结晶器液面波动有直接关 系619围绕浸人式水口内夹杂物的运动行为，目 用1：1模型时，模型中的流速与原型中的流速一 致，可以根据模型中边界层流速来表征原型中边 前的研究多聚焦在宏观流场结构尺度的模拟，对 界层流速情况，表1为公式(1)~公式(5)计算所 浸入式水口内边界层微观流场结构研究较少，而 需相关参数 边界层区域流动特征是影响夹杂物在内壁沉积的 关键因素20-2 Re=pvl (1) 为探究浸入式水口内壁特征对边界层流场结 构的影响，通过解剖和分析现场实际浇注不同阶 fr= (2) gl 段浸入式水口内壁的状态，确定了三种不同的浸 入式水口内壁形貌特征（近光滑壁面、多孔耐火 Ppyplp Pmymlm (3) 材料壁面、粗糙结瘤壁面)，其分别代表水口浇注 p m 初始状态、浇注钢液与耐材反应后的状态、氧化 (4) 铝夹杂物大量聚集后形成结瘤层的状态.使用光 glp glm
layer. The fluctuations of the velocity and the turbulent kinetic energy in the normal direction were increased in the porous refractory and the clogged wall boundary layer when the sweep and ejection events existed. The transport of the alumina inclusions with a diameter of 1–15 μm was affected by the ejection and the sweep events. The alumina inclusions moved toward the boundary in the sweep event. During the sweep event, the transport path of alumina inclusions with 1 μm diameter was close to the boundary; the alumina inclusions were more easily attached to the boundary. The alumina inclusions escaped from the boundary in the ejection event. In the porous refractory and the clogged walls, the alumina inclusion transport path in the normal direction was increased. When the SEN wall ’s morphologies changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall, the sweep event area proportion increased from 10.17% to 39.77%, and the ejection event area proportion decreased from 32.96% to 9.24%. Moreover, the sweep event ’s probability increased from 25.83% to 28.24% when the morphologies of the SEN wall changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall, which will increase the alumina inclusion deposition rate in the porous refractory wall and the clogged wall boundary. KEY WORDS submerged entry nozzle (SEN) clogging； particle image velocimetry (PIV)； boundary layer； ejection events； sweep events；inclusion transport 浸入式水口内壁随着浇注过程与钢液的反应 侵蚀和氧化铝夹杂物的沉积结瘤，其形貌会发生 转变[1−3] ，壁面形貌会直接影响壁面边界层流场结 构[4−6] ，从而影响边界层流体中固体颗粒的输送和 传递行为[7−8] . 铝脱氧钢浸入式水口结瘤物主要为 脱氧产物——氧化铝夹杂物[9−10] . 因此，浸入式水 口内壁边界层流场结构直接影响氧化铝夹杂物在 边界层内的传输行为，与浸入式水口浇注过程的 结瘤行为直接相关. 近年来，学者对平板壁面形貌对边界层流场 影响开展了相关研究[11−15] ，结果表明：边界层流场 内存在周期性的拟序结构，这种拟序结构的猝发 是边界层内湍流动能和摩擦阻力的主要来源，边 界层流场中的上抛、下扫事件就是典型的拟序结 构，不同表面形貌特征的设计是平板流体流动减 阻的重要思路. 浸入式水口内钢液的流动行为以 及夹杂物在钢液中传输及在近壁面的碰撞和聚集 是一个典型的边界层流场结构特征解析问题. 浸 入式水口内宏观流场中同样存在周期性的拟序 结构，这种拟序结构与结晶器液面波动有直接关 系[16−19] . 围绕浸入式水口内夹杂物的运动行为，目 前的研究多聚焦在宏观流场结构尺度的模拟，对 浸入式水口内边界层微观流场结构研究较少，而 边界层区域流动特征是影响夹杂物在内壁沉积的 关键因素[20−21] . 为探究浸入式水口内壁特征对边界层流场结 构的影响，通过解剖和分析现场实际浇注不同阶 段浸入式水口内壁的状态，确定了三种不同的浸 入式水口内壁形貌特征（近光滑壁面、多孔耐火 材料壁面、粗糙结瘤壁面），其分别代表水口浇注 初始状态、浇注钢液与耐材反应后的状态、氧化 铝夹杂物大量聚集后形成结瘤层的状态. 使用光 滑有机玻璃模型模拟近光滑壁面状态，在有机玻 璃模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物 耐材壁面结构来模拟浸入式水口内壁的三种壁 面特征. 利用粒子图像测速（PIV）技术测量不同 壁面特征下的流场边界层，再结合数值计算方法 研究氧化铝夹杂物在流场边界层中的运动轨迹. 本研究揭示了边界层流场的拟序结构以及氧化 铝夹杂物在边界层流场中的传输行为，为研究氧 化铝夹杂物在浸入式水口壁面沉积和剥离行为 提供基础. 1 实验方法 1.1 流动相似基本原理 钢液在浸入式水口内的流动受惯性力、黏性 力和重力作用，假设钢液为不可压缩流体，根据流 动相似原理，考虑原型和模型的雷诺数（Re）和弗 劳德数（Fr）相等[22] 即可以满足相似. 使用水作为 模拟介质时，根据公式（1）～公式（5）计算得出模 型与原型比例接 近 1∶1. 因此 ，本研究设计 了 1∶1 的水力学模型. 根据公式（3）和公式（4），当采 用 1∶1 模型时，模型中的流速与原型中的流速一 致，可以根据模型中边界层流速来表征原型中边 界层流速情况，表 1 为公式（1）～公式（5）计算所 需相关参数. Re = ρvl µ （1） Fr = v 2 gl （2） ρpvp lp µp = ρmvmlm µm （3） v 2 p glp = v 2 m glm （4） · 926 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期
华承健等：浸人式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 927· 表1原型与模型流体物理性质和浸入式水口儿何参数 壁面边界的轮廓，采用轮廓算数平均差的方法表 Table 1 Physical properties of the fluids in prototype and physical 征本实验使用的三种壁面形貌的表面粗糙度，近 model and the SEN geometric parameters 光滑模型壁面表面粗糙度为0，多孔耐火材料表 Parameter Value 面粗糙度为0.10335mm,结瘤物表面粗糙度为 Molten steel density,pp/(kg'm) 7020 0.077mm.采用物理模拟的方法在浸入式水口模 Molten steel viscosity,p/(Pa's) 0.0067 型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁 Water density (25C).P/(kgm) 997.074 面结构，结合PIV技术研究不同特征壁面附近流 Water viscosity (25C),u/(Pa's) 8.937×10 场边界层 Diameter of inner nozzle/mm 40 物理模拟系统使用水作为模拟介质，借助粒 Flow rate/(Lmin) 45 子图像测速设备(Germany:LaVision GmbH)分别 测量了三种不同特征壁面附近2维2速度分量边 - p 界层流场，图2为测量区域和实验装置示意图.浸 Pp (5) Mm 入式水口模型外侧套有方形水棱镜以消除圆管模 Pm 型曲率带来的成像误差.实验过程中采用Davis 其中，Re为雷诺数；p为密度，kgm3;v为速度， (8.4.0,Germany:LaVision GmbH软件控制图像采 ms;u为动力黏度，Pas;1为长度尺度，m;Fr为 集和测速结果后处理，示踪粒子选择直径为10μm 弗劳德数；g为重力加速度，9.8ms;下标p代表 的荧光示踪粒子，图像采集采用双帧双曝光模式， 原型，下标m代表模型 两束激光时间间隔60μ5，激光器和相机曝光频率 1.2浸入式水口壁面形貌演变和边界层流场测速 为70Hz,测量时间持续1s.实验中连续采集140 方法 张照片.问询窗口尺寸(128×128像素至96×96像 图1为钢液浇注过程中耐火材料壁面形貌变 素)75%重叠. 化示意图，浸入式水口壁面在钢液浇注前期带有 13流场分析方法 涂层，壁面形貌近似于光滑状态（图l(a)).随着浇 法向湍流动能(Rx)表征了流场内法向湍流输 注的进行，高温钢液与涂层及浸入式水口本体石 运的强弱，如公式(6)所示；法向(v)脉动速度和流 墨结构发生反应，涂层以及石墨结构逐渐熔解， 向()脉动速度分别表征流向和法向的速度随时 光滑表面逐渐转变为多孔的耐火材料本体结构 间变化的强弱，如公式(7)和公式(8)所示.相关研 (图1(b),伴随着钢中氧化铝夹杂物在壁面的沉 究表明，湍流边界层内的切变湍流中存在着可辨 积，多孔耐火材料壁面转变为含结瘤物的粗糙结 认的有序的运动，称之为湍流拟序结构.高速流体 瘤状态（图1(c).整个浇注过程，浸入式水口壁面 向壁面的运动和壁面低速流体远离壁面的运动是 特征转变过程可以描述为：近光滑壁面一多孔耐 湍流边界层中的两种典型拟序结构).高速流体 火材料壁面一粗糙结瘤壁面.提取PIV测量区域 向壁面运动为下扫事件，低速流体远离壁面的运 (a) (b) (c) Alumina Graphite Al.O,refractory Al.O;refractory inclusions Al,O;refractory material material material 图1钢液浇注过程没人式水口壁面特征变化示意图.(a)近光滑壁面：(b)多孔耐火材料壁面：(c)结瘤壁面 Fig.1 Schematic of SEN wall surface changing morphologies during casting:(a)smooth wall:(b)porous refractory wall;(c)clogged wal
( lp lm ) 3 2 = µp ρp µm ρm （5） 其中 ， Re 为雷诺数 ； ρ 为密度 ， kg·m−3 ； v 为速度 ， m·s−1 ；μ 为动力黏度，Pa·s；l 为长度尺度，m；Fr 为 弗劳德数；g 为重力加速度，9.8 m·s−2；下标 p 代表 原型，下标 m 代表模型. 1.2 浸入式水口壁面形貌演变和边界层流场测速 方法 图 1 为钢液浇注过程中耐火材料壁面形貌变 化示意图，浸入式水口壁面在钢液浇注前期带有 涂层，壁面形貌近似于光滑状态（图 1（a））. 随着浇 注的进行，高温钢液与涂层及浸入式水口本体石 墨结构发生反应，涂层以及石墨结构逐渐熔解， 光滑表面逐渐转变为多孔的耐火材料本体结构 （图 1（b）），伴随着钢中氧化铝夹杂物在壁面的沉 积，多孔耐火材料壁面转变为含结瘤物的粗糙结 瘤状态（图 1（c））. 整个浇注过程，浸入式水口壁面 特征转变过程可以描述为：近光滑壁面—多孔耐 火材料壁面—粗糙结瘤壁面. 提取 PIV 测量区域 壁面边界的轮廓，采用轮廓算数平均差的方法表 征本实验使用的三种壁面形貌的表面粗糙度，近 光滑模型壁面表面粗糙度为 0，多孔耐火材料表 面粗糙度 为 0.10335 mm，结瘤物表面粗糙度 为 0.077 mm. 采用物理模拟的方法在浸入式水口模 型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁 面结构，结合 PIV 技术研究不同特征壁面附近流 场边界层. 物理模拟系统使用水作为模拟介质，借助粒 子图像测速设备（Germany: LaVision GmbH）分别 测量了三种不同特征壁面附近 2 维 2 速度分量边 界层流场，图 2 为测量区域和实验装置示意图. 浸 入式水口模型外侧套有方形水棱镜以消除圆管模 型曲率带来的成像误差. 实验过程中采用 Davis (8.4.0, Germany: LaVision GmbH) 软件控制图像采 集和测速结果后处理，示踪粒子选择直径为 10 μm 的荧光示踪粒子，图像采集采用双帧双曝光模式， 两束激光时间间隔 60 μs，激光器和相机曝光频率 为 70 Hz，测量时间持续 1 s. 实验中连续采集 140 张照片. 问询窗口尺寸（128×128 像素至 96×96 像 素）75% 重叠. 1.3 流场分析方法 法向湍流动能（Rxx）表征了流场内法向湍流输 运的强弱，如公式（6）所示；法向（v'）脉动速度和流 向（u'）脉动速度分别表征流向和法向的速度随时 间变化的强弱，如公式（7）和公式（8）所示. 相关研 究表明，湍流边界层内的切变湍流中存在着可辨 认的有序的运动，称之为湍流拟序结构. 高速流体 向壁面的运动和壁面低速流体远离壁面的运动是 湍流边界层中的两种典型拟序结构[13] . 高速流体 向壁面运动为下扫事件，低速流体远离壁面的运 表 1 原型与模型流体物理性质和浸入式水口几何参数 Table 1 Physical properties of the fluids in prototype and physical model and the SEN geometric parameters Parameter Value Molten steel density, ρP /(kg·m−3) 7020 Molten steel viscosity, μP /(Pa·s) 0.0067 Water density (25°C), ρm/(kg·m−3) 997.074 Water viscosity (25°C), μm/(Pa·s) 8.937×10−4 Diameter of inner nozzle/mm 40 Flow rate/(L·min−1) 45 Flow direction Flow direction Porous refrsctory wall Flow direction Clog wall Smooth wall Coating material (a) (b) (c) Graphite Al2O3 refractory material Al2O3 refractory material Al2O3 refractory material Alumina inclusions 图 1 钢液浇注过程浸入式水口壁面特征变化示意图. （a）近光滑壁面；（b）多孔耐火材料壁面；（c）结瘤壁面 Fig.1 Schematic of SEN wall surface changing morphologies during casting: (a) smooth wall；(b) porous refractory wall；(c) clogged wall 华承健等： 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 · 927 ·
928 工程科学学报，第43卷，第7期 Flow dircetion 1.4氧化铝夹杂物运动轨迹的数学模型 comar 本文中氧化铝夹杂物运动轨迹数学模型考虑 Sheet of light Water prism 了氧化铝夹杂物在浸入式水口内运动受重力、浮 Long working distance 力、曳力和虚拟质量力共同作用网其运动方程如 microscope Sheet light 公式(9)所示，模型内流体速度与原型流体速度一 optics Imaging area 致，夹杂物运动方程中的流体速度项采用PIV测 -Submerged entry Charge coputed 速结果.本研究以F钢浇注过程为例，中间包内 nozzle model device camera 氧化铝夹杂物尺寸在2~16um之间，形状主要为 flow Water tank 近球形，块状和椭球形.因此，本研究的四种粒径 的氧化铝夹杂物，粒径分别为1、5、10、15m,而 且氧化铝夹杂物为球形.氧化铝夹杂物密度为 3970kgm3.数学模型的计算和求解采用MATLAB 图2边界层流场测速实验装置示意图 实现，相关模型计算如公式(9)~公式(15)所示 Fig.2 Schematic of the boundary layer velocity measurements 计算过程中，假设夹杂物初始时刻速度与流体速 度一致，计算步长采用106s,计算700步 动叫上抛事件，如图3所示.本文采用象限分析法2]， dui 辨识湍流边界层流场内的上抛和下扫事件.'>0， mi'g-pgVi+FD(u-ui)+Fa (9) l<0代表下扫事件：而v<0,d>0代表上抛事 18u CpRei FD=- Pid 24 (10) 件.通过对比不同壁面特征条件下流场内的上抛 事件和下扫事件，评价钢液中夹杂物向壁面的输 CD=2 1+0.186Re0.6s3) (11) 运能力和沉积在壁面的夹杂物剥离可能性.本研 Rei 究中边界层流场结构包括上抛事件、下扫事件、 速度分布、湍流动能和湍流脉动速度 Rer =pdilu-ul (12) Rxx -可2 (6) =c倍-) (13) v=v- (7) 0.132 CA=2.1- (14) 0.12+A2 u'=u-u (8) Ac=-lu-uil 4-国 (15) 其中，m为夹杂物质量，kg;4为夹杂物速度，ms; u为流体速度，ms；1为时间，s;p为钢液密度， kgm3;p:为夹杂物密度，kgm3;Re为夹杂物雷诺 Vortiex 数；为夹杂物体积，m3;Fo为曳力，N;Fa为虚拟 质量力，N;u为钢液动力黏度，Pas:d为夹杂物粒 径，m;下标i代表夹杂物；CD,CA,A为系数 Sweep event 2结果分析与讨论 图3边界层流场内上抛、下扫事件示意图 2.1浸入式水口壁面状态变化对边界层流场影响 Fig.3 Schematic of the ejection and sweep events in boundary layer 图4(a)~图4(c)分别为近光滑壁面、多孔耐 其中，Rx为法向湍流动能，m2s2;V为法向脉动速 火材料壁面、结瘤壁面附近边界层流场速度云图. 度，ms;v为瞬时法向速度，ms;为法向平均 实验过程来流速度为0.59ms,达到99%来流速 速度，ms；d为流向脉动速度，ms;u为瞬时流 度的位置确定为流场边界层的边界.三种壁面状 向速度，ms;i为流向平均速度，ms,N为实验 态下距离壁面不同距离的速度分布结果表明 过程图像采集次数 (图4(d)):近光滑壁面边界层厚度为3.93mm,多
动叫上抛事件，如图 3 所示. 本文采用象限分析法[23] ， 辨识湍流边界层流场内的上抛和下扫事件. v' > 0, u' < 0 代表下扫事件；而 v' < 0, u' > 0 代表上抛事 件. 通过对比不同壁面特征条件下流场内的上抛 事件和下扫事件，评价钢液中夹杂物向壁面的输 运能力和沉积在壁面的夹杂物剥离可能性. 本研 究中边界层流场结构包括上抛事件、下扫事件、 速度分布、湍流动能和湍流脉动速度. Rxx = 1 N −1 ∑ N k=1 (vk −v) 2 （6） v ′ = v−v （7） u ′ = u−u （8） Sweep event Vortiex Wall Ejection event 图 3 边界层流场内上抛、下扫事件示意图 Fig.3 Schematic of the ejection and sweep events in boundary layer v u 其中，Rxx 为法向湍流动能，m 2 ·s−2 ；v'为法向脉动速 度 ，m·s−1 ；v 为瞬时法向速度，m·s−1 ； 为法向平均 速度，m·s−1 ；u'为流向脉动速度，m·s−1 ；u 为瞬时流 向速度，m·s−1 ； 为流向平均速度，m·s−1 ，N 为实验 过程图像采集次数. 1.4 氧化铝夹杂物运动轨迹的数学模型 本文中氧化铝夹杂物运动轨迹数学模型考虑 了氧化铝夹杂物在浸入式水口内运动受重力、浮 力、曳力和虚拟质量力共同作用[24] ，其运动方程如 公式（9）所示，模型内流体速度与原型流体速度一 致，夹杂物运动方程中的流体速度项采用 PIV 测 速结果. 本研究以 IF 钢浇注过程为例，中间包内 氧化铝夹杂物尺寸在 2～16 μm 之间，形状主要为 近球形，块状和椭球形. 因此，本研究的四种粒径 的氧化铝夹杂物，粒径分别为 1、5、10、15 μm，而 且氧化铝夹杂物为球形. 氧化铝夹杂物密度为 3970 kg·m−3 . 数学模型的计算和求解采用 MATLAB 实现，相关模型计算如公式（9）～公式（15）所示. 计算过程中，假设夹杂物初始时刻速度与流体速 度一致，计算步长采用 10−6 s，计算 700 步. mi dui dt = mi · g−ρgVi + FD·(u−ui)+Fa （9） FD= 18µ ρid 2 i CDRei 24 （10） CD = 24 Rei (1+0.186Re0.653 i ) （11） Rei = ρdi |u−ui | µ （12） Fa = CA ρπd 3 i 12 ( du dt − dui dt ) （13） CA = 2.1− 0.132 0.12+ A 2 c （14） Ac= |u−ui | d i d|u−ui | dt （15） 其中，mi 为夹杂物质量，kg；ui 为夹杂物速度，m·s−1 ； u 为流体速度，m·s−1 ； t 为时间， s； ρ 为钢液密度， kg·m−3 ；ρi 为夹杂物密度，kg·m−3 ；Rei 为夹杂物雷诺 数；Vi 为夹杂物体积，m 3 ；FD 为曳力，N；Fa 为虚拟 质量力，N；μ 为钢液动力黏度，Pa·s；di 为夹杂物粒 径，m；下标 i 代表夹杂物；CD，CA，Ac 为系数. 2 结果分析与讨论 2.1 浸入式水口壁面状态变化对边界层流场影响 图 4（a）～图 4（c）分别为近光滑壁面、多孔耐 火材料壁面、结瘤壁面附近边界层流场速度云图. 实验过程来流速度为 0.59 m·s−1，达到 99% 来流速 度的位置确定为流场边界层的边界. 三种壁面状 态下距离壁面不同距离的速度分布结果表明 （图 4（d））：近光滑壁面边界层厚度为 3.93 mm，多 Flow dircetion Refractory or clog material Water prism Water tank Charge coputed Connect to pump and device camera flow meter Submerged entry nozzle model Imaging area Long working distance microscope Sheet of light Sheet light optics 图 2 边界层流场测速实验装置示意图 Fig.2 Schematic of the boundary layer velocity measurements · 928 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期