18 60 2 20 空气渣相钢液三相模型的物理模型尺寸和服格公 Fig.1 Schematic of physical model size and mesh distribution of Steel-Slag-Air three-phase model 裹1模型尺寸及物性参数 Table 1 Model dimensions and parameters Parameters Value Parameters Value Submergence depth of SEN 120mm Molten steel density 7020kgm3 Mold length 800mm Molten steel viscosity 0.0055 kg-m-.s Air phase thickness 65 mm Superheat of molten steel 20K Slag phase thickness 35mm Slag/density 2500kgm3 Radius of curvature 10.25m Slag viscosity 0.18 kg.m.s Section size 280mm×250mm Liquidus temperature of molten steel 1727K Casting speed 0.62 mmin Surface tension of molten 1.6Nm steel 150A,2Hz M-EMS parameters 300A,2Hz Total length of domain 2m 150A,4z 电磁搅拌的安装位置如图2所示。图2b)显示了沿结晶器中心线上磁感应强度分布的计算值 与使用高斯仪空载测量的测值之间的对比。电磁感应强度沿拉坯方向先增大后减小，并在距离结 晶器顶面700mm左右处达到最父值。计算值与测量值基本吻合，进而验证了结晶器电磁搅拌模型 的准确性。图3为结晶器垂直中心线上的电磁力分布，可以看出，改变电流强度大小和频率大小， 结晶器内钢液受到的电德力大小发生变化，电磁力随电流强度增大而增大，随电流频率增大而减小。 由于Z方向上的电磁力远小于X、Y方向的电磁力，故可以忽略
图 1 空气-渣相-钢液三相模型的物理模型尺寸和网格设置. Fig.1 Schematic of physical model size and mesh distribution of Steel-Slag-Air three-phase model 表 1 模型尺寸及物性参数 Table 1 Model dimensions and parameters Parameters Value Parameters Value Submergence depth of SEN 120 mm Molten steel density 7020 kg·m-3 Mold length 800 mm Molten steel viscosity 0.0055 kg·m-1·s-1 Air phase thickness 65 mm Superheat of molten steel 20 K Slag phase thickness 35 mm Slag density 2500 kg·m-3 Radius of curvature 10.25 m Slag viscosity 0.18 kg·m-1·s-1 Section size 280 mm×250 mm Liquidus temperature of molten steel 1727 K Casting speed 0.62 m·min-1 Surface tension of molten steel 1.6 N·m-1 M-EMS parameters 150 A，2 Hz 300 A，2 Hz 150 A，4 Hz Total length of domain 2 m 电磁搅拌的安装位置如图 2(a)所示。图 2(b)显示了沿结晶器中心线上磁感应强度分布的计算值 与使用高斯仪空载测量的测量值之间的对比。电磁感应强度沿拉坯方向先增大后减小，并在距离结 晶器顶面 700 mm 左右处达到最大值。计算值与测量值基本吻合，进而验证了结晶器电磁搅拌模型 的准确性。图 3 为结晶器垂直中心线上的电磁力分布，可以看出，改变电流强度大小和频率大小， 结晶器内钢液受到的电磁力大小发生变化，电磁力随电流强度增大而增大，随电流频率增大而减小。 由于 Z 方向上的电磁力远小于 X、Y 方向的电磁力，故可以忽略。 录用稿件，非最终出版稿
(a) (b) 250 0 Unit:mm Measure,150 A.2 Hz ---Calculate,150 A.2 Hz Y-9X 200 Z 、9 do plo 400 600 800 1200 540 1400 0 10 25 840 Magnetic flux densit ■2电磁搅拌位置示意图及模型验证.()电磁搅拌安装位置示意图；(b)结晶器中心线处磁通密度测量值与计算值的 对比 非最终 Fig.2 Diagram of M-EMS installing location and model validation:(a)M-EMS instangc( (b)magnetic flux density along mold center vertical direction 0 100 200 300 400 500- 磁搅拌的 600 纵向位置 700- 800 900 1000 1100 1200 200 400 60080010001200140016001800 Magnetic force/N.m3 圆3结晶器垂直中心线上的电磁力分布 Fig.3 Distribution of the electromagnetic force along the vertical distance below meniscus 1.4边界件 浸入式水口入口处采用速度入口边界条件，其速度大小根据质量守恒由拉速和连铸坯断面尺寸 和钢液密度确定。计算域结晶器最上部采用自由边界条件，表面剪切力为零。计算域出口采用压力 出口条件，回流温度通过设置UDF实现。其余壁面均采用无滑移边界条件。 本研究通过商业软件ANSYS FLUENT 17.0并UDF对以上方程进行求解，求解方法采用Non- Iterative Time Advance,压力-速度耦合采用PISO算法，能量方程的离散采用的是二阶隐式格式。 控制方程中的连续性和动量方程的计算残差控制在0.001以下。模拟计算的时间步长为0.005s,结 晶器内多相流动计算至110.0s基本稳定后，取随后的30s内的计算值进行时均处理。在32核64线 程的计算机上，三相模型、两相模型和单相模型的运行时间分别为177、71和35小时。 2结晶器液多相流动、液位波动与卷渣 图4显示了不同模型下钢液的时均速度分布，由于电磁搅拌作用加快了钢液的流动，钢液从浸 入式水口射出后在结晶器电磁搅拌器附近的流动速度更大。整体而言，结晶器内钢液的速度分布在 目前三种模型下差别不大
图 2 电磁搅拌位置示意图及模型验证. (a) 电磁搅拌安装位置示意图; (b) 结晶器中心线处磁通密度测量值与计算值的 对比 Fig.2 Diagram of M-EMS installing location and model validation: (a) M-EMS installing location; (b) magnetic flux density along mold center vertical direction 图 3 结晶器垂直中心线上的电磁力分布 Fig.3 Distribution of the electromagnetic force along the vertical distance below meniscus 1.4 边界条件 浸入式水口入口处采用速度入口边界条件，其速度大小根据质量守恒由拉速和连铸坯断面尺寸 和钢液密度确定。计算域结晶器最上部采用自由边界条件，表面剪切力为零。计算域出口采用压力 出口条件，回流温度通过设置UDF实现[12]。其余壁面均采用无滑移边界条件。 本研究通过商业软件 ANSYS FLUENT 17.0 并 UDF 对以上方程进行求解，求解方法采用 NonIterative Time Advance，压力-速度耦合采用 PISO 算法，能量方程的离散采用的是二阶隐式格式。 控制方程中的连续性和动量方程的计算残差控制在 0.001 以下。模拟计算的时间步长为 0.005 s，结 晶器内多相流动计算至 110.0 s 基本稳定后，取随后的 30 s 内的计算值进行时均处理。在 32 核 64 线 程的计算机上，三相模型、两相模型和单相模型的运行时间分别为 177、71 和 35 小时。 2 结晶器钢液多相流动、液位波动与卷渣 图4显示了不同模型下钢液的时均速度分布，由于电磁搅拌作用加快了钢液的流动，钢液从浸 入式水口射出后在结晶器电磁搅拌器附近的流动速度更大。整体而言，结晶器内钢液的速度分布在 目前三种模型下差别不大。 录用稿件，非最终出版稿