单孔浸没式顶吹气液搅拌的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-06-17 04:22

【摘要】：气体通过顶部浸没管喷吹进入液体,形成气泡搅动液相,影响流场的现象十分普遍,常见于冶金、化工、生物等领域。通过气体喷吹,能够带来诸如各成分充分混匀、容器内温度分布均匀和夹杂物去除等一系列有利效果。因此,对浸没式顶吹的气液流场搅拌规律进行深入研究对于指导工业中的生产与设计具有重要意义。本文在现有气液喷吹搅拌研究的基础上,通过实验与数值模拟的方法研究了单孔浸没式顶吹的流场搅拌规律。所做工作不仅可以为相应的气液两相喷吹搅拌评价体系提供具有普适性的理论与方法支撑,而且也能为工业生产提供一定的基础技术支持。主要的研究工作如下:(1)建立了本文单孔浸没式顶吹气液搅拌的实验研究模型,搭建了单孔浸没式顶吹水模实验平台,利用高速相机进行拍摄记录。获得了多种进气量、喷管插入深度等条件下连续的图片,进行了基于搅拌功的气泡脱离尺寸统计与分析。(2)提出了在不借助专业仪器且能准确、全面量化液相搅拌效果的前提下,根据对水模实验所得的连续图片,进行基于图片分块策略和NCC算法的相似度的特征计算方法,并运用该方法研究了不同工况下单孔浸没式顶吹对流场的搅拌效果。(3)针对单孔浸没式顶吹搅拌水模实验的原型结构,进行了三维数值建模及仿真,对水模实验容器内部的流场动态特性进行了分析;同时将仿真所得的气泡脱离尺寸、死区占比分别与实验中的气泡尺寸、相似度进行了比较分析。证明了浸没式喷吹数值模拟中网格划分的合理性与数值计算方法的有效性。(4)进一步针对双层非溶合液体在单孔浸没式顶吹条件下,进行了数值模拟,预测了容器内的流场特性与表层液体的运动特征,为冶金行业特定工序生产(如铁水脱硫顶吹辅助扒渣工序等)的相关工艺参数优化进行了有益的探索。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF703
【图文】：

示意图,扒渣,板机,铁水罐

100mm的扒渣板直线或曲线运动，将铁水表面的高硫渣逐次扒除[2]，如图1.1所示。然而该方法在铁水罐后部罐壁（远离扒渣机的一侧）存在扒渣死区，即由于铁水罐的倾斜，扒渣板无法伸到铁水罐的后壁处，只有靠近扒渣机一侧的高硫渣才能被迅速清除，远离扒渣机的渣层需要移动到扒渣板的运动范围内才能被去除，由此导致扒渣率大大降低。图 1.1 扒渣板机械扒渣示意图为了提高渣的扒净度，众多学者开展了相关研究工作，提出了一系列吹气辅助扒渣工艺。国内外实际应用的吹气辅助扒渣工艺主要包括：透气砖吹气和顶枪吹气[3-5]。透气砖辅助扒渣工艺是上世纪80年代中期由国外学者提出并运用，我国学者在2000年后展开了相关研究。其做法是在铁水罐侧壁或者罐底安装透气砖，通过透气砖向铁水罐内鼓入惰性气体，由此产生气泡，气泡上升驱动铁水表面的渣层向扒渣机一侧移动

示意图,顶枪,扒渣,现场图

而在喷枪的插入位置附近形成渣眼（无渣区域）；在靠近扒渣机的区域，渣层大量聚集，厚度增加，扒渣机能便捷地进行扒渣工作，并能有效减少此过程中的铁损。图1.3给出了该方法的示意图。在上述过程中，液面水平驱动力是驱渣的主要动力。液面水平驱动力来自于两个方面：气泡上浮膨胀以及气泡溢出产生的水平推力；铁水罐倾斜后壁对上浮气泡流股抑制转向形成的水平推力[6]。1—扒渣机；2—渣罐；3—铁水罐；4—顶枪图1.3 顶枪吹气辅助扒渣示意图及现场图顶枪吹气辅助扒渣工艺相对较为完善，顶吹喷枪与铁水罐、扒渣装置之间相互独立，顶枪不影响铁水罐的整体性与扒渣装置，能满足不同铁水罐周转模式条件下的使用性能要求，且运行费用与维护成本较低，实际应用缩短了扒渣时间、

【参考文献】