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超音速聚合射流氧枪射流特性的基础研究

作　者: 吕国成
导　师: 刘坤
学　校: 辽宁科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 氧枪聚合射流物理模拟数值模拟
分类号: TF341
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
主要符号说明  7-12
第一章绪论  12-31
  1.1 引言  12
  1.2 氧枪概述  12-16
    1.2.1 氧枪的发展  12-13
    1.2.2 氧枪的种类  13-15
    1.2.3 氧枪的工艺要求  15-16
  1.3 射流特性的研究进展  16-23
    1.3.1 射流概述  16-17
    1.3.2 亚音速流湍流射流  17-18
    1.3.3 超音速流湍流射流  18-22
    1.3.4 高温下射流的流动特性  22-23
  1.4 聚合射流概述  23-28
    1.4.1 聚合射流的提出  23-24
    1.4.2 聚合射流氧枪的原理和特性  24-25
    1.4.3 聚合射流氧枪对熔池的作用  25-27
    1.4.4 聚合射流的应用  27-28
  1.5 课题的研究意义和方法  28-30
    1.5.1 研究意义  28
    1.5.2 研究方法  28-30
  1.6 课题的研究内容和创新性  30-31
    1.6.1 研究内容  30
    1.6.2 特色与创新  30-31
第二章氧枪射流的理论基础  31-40
  2.1 空气动力学的基础理论  31-35
    2.1.1 一维定常等熵流的基本理论  31-32
    2.1.2 拉瓦尔喷管的工作特性  32-35
  2.2 超音速气体射流稳定流动的相似理论  35-38
  2.3 燃烧的基础理论  38-40
第三章氧枪射流特性的实验研究  40-58
  3.1 氧枪射流检测系统介绍  40-49
    3.1.1 基本功能  40
    3.1.2 主要组成  40-45
    3.1.3 参数的算法标定  45-49
  3.2 氧枪射流特性的冷态（常温）实验研究  49-52
    3.2.1 聚合射流氧枪喷头的结构尺寸  49-50
    3.2.2 传统超音速氧枪射流中心线速度的衰减规律  50-51
    3.2.3 聚合（伴随）射流氧枪的冷态实验测试  51-52
  3.3 聚合射流特性的热态（高温燃气伴随）实验研究  52-58
    3.3.1 实验中副孔压力的选取依据  52-53
    3.3.2 聚合射流氧枪热态实验装置  53-54
    3.3.3 聚合射流氧枪热态实验过程  54-55
    3.3.4 聚合射流氧枪热态实验分析与实际应用探讨  55-58
第四章氧枪射流模型的建立  58-66
  4.1 氧枪射流的数学模型  58-63
    4.1.1 基本控制方程  58-59
    4.1.2 湍流模型  59-61
    4.1.3 传热模型  61
    4.1.4 组分传输模型  61
    4.1.5 边界条件  61-63
  4.2 氧枪射流的GAMBIT建模  63-66
    4.2.1 氧枪射流的几何模型  63-64
    4.2.2 网格划分  64-66
第五章氧枪射流的数值模拟分析  66-94
  5.1 氧枪喷头Laval喷管内流动特性的数值模拟分析  66-72
    5.1.1 确定划界压力  66-67
    5.1.2 模拟方案  67-68
    5.1.3 不同的湍流模型的适应性分析  68-69
    5.1.4 不同工况下Laval喷管内流动特性模拟  69-71
    5.1.5 不同工况下喷管轴线上马赫数的比较  71-72
  5.2 传统超音速氧枪射流流场特征的数值模拟分析  72-82
    5.2.1 传统超音速射流特性分析  72-75
    5.2.2 模拟结果的验证  75-76
    5.2.3 操作压力对射流流场的影响  76-77
    5.2.4 环境温度对射流流场的影响  77-80
    5.2.5 超音速区域长度的变化规律  80-82
  5.3 聚合射流流场的数值模拟分析  82-89
    5.3.1 聚合射流氧枪射流流场的模拟结果验证  83
    5.3.2 伴随流压力对聚合射流流场的影响  83-85
    5.3.3 环境温度对聚合射流流场的影响  85-87
    5.3.4 伴随流温度对聚合射流流场的影响  87-88
    5.3.5 伴随流成分对聚合射流流场的影响  88-89
  5.4 聚合射流与传统超音速射流的流场特性对比分析  89-94
    5.4.1 射流在轴向上的衰减情况比较  90-92
    5.4.2 射流径向上的扩展情况比较  92-94
第六章结论与展望  94-96
  6.1 结论  94-95
  6.2 展望  95-96
参考文献  96-100
致谢  100-101
攻读硕士学位期间发表的论文  101

超音速聚合射流氧枪射流特性的基础研究

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