浸没顶吹喷枪内正庚烷流动过程的沸腾特性研究

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中文摘要：喷枪是富氧顶吹熔池熔炼工艺的核心设备，它负责向熔体内喷吹富氧空气及补充燃料。由于喷枪在熔炼炉中始终处于高温熔体或气体包围的环境，当使用液体燃料时，可能会引发管内流动沸腾。在浸没喷吹条件下，由于喷枪头部易形成蘑菇头结构，以及喷枪头部多通道喷嘴结构的存在，会使得喷枪头部流动面积减小，导致在喷枪头部出现压力下降的情况，当被加热的液体燃料流经喷枪头部时，由于压力下降容易引发闪急沸腾。喷枪管内流动沸腾和喷嘴处闪急沸腾的出现会改变管内液体燃料的流动状态，从而影响喷枪的喷吹效果。因此准确预测管内液态燃料的流动状态、喷枪壁面温度分布以及喷嘴处的闪急沸腾特征，对提升顶吹浸没喷枪的使用寿命和喷吹效果具有重要意义，对浸没顶吹熔炼工艺的安全运行和喷枪结构设计具有指导意义。首先，本论文针对顶吹浸没喷枪工作时的传热特点，基于欧拉多相流模型结合改进 RPI（Rensselaer Polytechnic Institute）壁面热流密度划分模型对顶吹浸没喷枪中液体燃料正庚烷的流动过程进行数值模拟。主要研究了喷枪入口处正庚烷的流速和温度、喷枪出口压力和半径等因素对管内流动沸腾的影响，分析了管内含气率、压力、温度、流速、壁面温度和热流密度、传热特性和质量传递率的分布规律。结果显示，当入口流速从 0.6 m/s增加至 1.0 m/s、入口温度从 313.15 K减小至293.15 K、出口压力0.1 MPa增加至0.4 MPa、喷枪半径5mm增加至7.5 mm时，流动沸腾的发展将延后，在 5 mm 半径管道内核态沸腾起点分别延后 1260 mm、750 mm、2390 mm，在7.5 mm半径管道内核态沸腾起点（Onset of Nucleate Boiling, ONB）分别延后 1900 mm、570 mm、2000 mm。同时，上述条件的改变，使得出口含气率降低，壁面温度上升趋势、壁面热流和传热效率下降趋势均减小，管内气液两相的截面平均温度和平均速度同样减小。然后，本论文针对多通道喷枪喷嘴处的结构特点，基于欧拉多相流模型对液体燃料正庚烷在多通道喷嘴处由压降引起的闪急沸腾进行数值模拟。研究了液体燃料正庚烷的温度、管道入口压力、喷嘴出口处环境压力以及喷嘴几何结构对喷嘴处闪急沸腾特性的影响。结果显示，管道入口压力从 0.2 MPa增大至 0.5 MPa、燃料温度从420 K降低至 340 K、喷嘴半径从 3.5 mm减小至 2.5 mm均会增加喷嘴入口处闪急沸腾发生的剧烈程度，喷嘴内含气率分别增加0.026、0.049、0.042，但环境压力的改变对喷嘴入口处闪急沸腾发生的剧烈程度基本不产生影响；管道入口压力从0.5 MPa减小至 0.2 MPa、环境压力从 0.1 MPa减小至 0.04 MPa、入口温度从340 K增加至 420 K、喷嘴半径从 3.5 mm减小至 2.5 mm均会提高喷嘴出口处闪急沸腾发生的剧烈程度，喷嘴出口处的含气率分别增加 0.124、0.119、0.656、0.037。同时，在进行本研究时，为了确保所使用的模型能准确预测喷枪内液态燃料正庚烷的流动沸腾和喷嘴处闪急沸腾现象发生的过程，本研究利用相关实验数据对所使用的数学模型进行了有效性验证，结果表明所使用的模型均能有效预测流动沸腾和闪急沸腾现象。

作者：

林金虎

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关键词：

浸没顶吹熔池熔炼喷枪正庚烷流动沸腾闪急沸腾壁面温度分布

授予学位：

硕士

学科专业：

能源动力

导师：

张小辉、朱向东

学位年度：

2023

学位授予单位：

昆明理工大学

语种：

中文

中图分类号：