基于Fluent的攪拌流場模擬研究

畢學工，岳 銳，周進東，楊 福

（武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢，430081）

KR脫硫法是將外襯為耐火材質的攪拌器浸入到鐵水罐內攪動，使之產生旋渦，被稱量過的脫硫劑經給料器加入到鐵水表面，被旋渦卷入的脫硫劑與高溫鐵水混合反應后達到脫硫的效果。FLUENT作為目前功能最全、使用最為廣泛的一款CFD軟件，被用作機械攪拌過程的流場模擬，它提供了單一旋轉系、多參考系、混合平面、滑動網格模型求解此類問題的途徑［1］。本文使用Fluent，對某鋼廠KR脫硫攪拌工藝過程進行數值模擬，探討槳葉長度、攪拌器插入深度、槳葉攪拌轉速對攪拌效果的影響。

1 模型的建立

1.1 控制方程

攪拌器三維流場數值模擬采用三維雷諾N－S方程及標準k－ε湍流模型［2－3］。在定常條件下，攪拌流場的不可壓縮流動可用下列方程組描述：

連續方程

式中：ux、uy、yz為相對速度分量；ui為沿i方向的速度分量（i＝1，2，3）；Fi為沿i方向的質量力；ρ為流體密度；P為壓力；ν為流體的運動黏性系數；νt為渦黏性系數；σk＝1.0；Pr為湍動能生成率；σε＝1.3；Cμ＝0.09；Cε2＝1.92；K為Von Karman常數；

1.2 鋼包及攪拌頭參數

對某鋼廠鋼包進行模擬，其液面高度為3 150 mm；液面處直徑為4 260 mm；底部直徑為3 700 mm。所模擬的攪拌頭幾何圖形如圖1所示，其兩種漿葉幾何尺寸如表1所示。

圖1 攪拌頭幾何圖Fig.1 Geometry of mixing blade

表1 長、短漿葉幾何尺寸 （mm）Table 2 Parameters of two kinds of mixing blade

1.3 網格劃分

在GAMBIT中作圖，做出網格。以mesh文件輸出，進入Fluent開發界面設置求解條件。模型的網格數為339 480。網格圖如圖2所示。

圖2 網格圖（坐標原點位于攪拌槳底部中心）Fig.2 Grid map（the origin in blade bottom center）

1.4 計算方法

使用有限體積法求解離散方程，使用多重參考系（MRF）對不同區域內的流動狀態進行設定。假定動區域（Fluid－move）內的流體與攪拌槳具有相同的轉速進行旋轉，而攪拌槳外的靜區域（Fluid－static）內流體設定為靜止。將軸和槳定義為動邊界，邊界類型均為壁面邊界（Wall）。攪拌軸處于靜區域內，攪拌槳處于動區域內，攪拌漿和周圍的流體以相同的轉速運動，因此攪拌槳相對于動區域內的流體是靜止的。流體流動為定常流動，速度壓力耦合問題方程采用SLMPLE算法，離散格式采用二階迎風，所有項的殘差收斂范圍均為10－4。

2 結果與討論

2.1 流場分布

經Fluent計算達到收斂標準后，將計算數據導入后處理軟件Tecplot進行處理。由于模擬結果在XOZ面為對稱分布，對Y＝0截面的流場圖進行分析，該截面的速度分布圖以及速度矢量圖如圖3所示。從圖3中可看出，在截面上，流體形成4個環流，對稱分布在槳葉兩旁，其環流中心分別位于攪拌槳葉的上、下兩個區域，正是這樣的環流促進了不同區域內物料的混合，改善了整個容器區域的循環。隨著轉速的增高及流場內流速的增大，加劇了物質的擴散和傳輸。攪拌槳附近的液體流動速度大，帶動物料的輸運能力強，此區域的傳質效率高。相反，容器底部區域，尤其是槳中心正下方，液體質點只能獲得較小的流速，因而此區域最有可能成為物料堆積的死區。

圖3 Y＝0截面速度分布圖Fig.3 Velocity distribution on Y＝0 section

2.2 攪拌頭漿葉長度對鐵液流速的影響

圖4 長、短漿葉攪拌頭在Y＝0截面的流速圖（100 r／mim）Fig.4 Velocity distribution of long and short blades on Y＝0 section（100 r／mim）

分別對表1中長、短兩種漿葉尺寸的攪拌頭進行模擬，二者在Y＝0截面的流速圖如圖4所示。從圖4中可看出，長漿葉攪拌頭鐵液流速多為3 m／s，短漿葉攪拌頭鐵液流速多為1.5 m／s；同時長槳葉攪拌頭下部的低流速區域明顯比短槳葉攪拌頭下部的低流速區域小，可見尺寸為2B＝1 300 mm的長槳葉攪拌頭較之于短槳葉攪拌頭具有更好的攪拌效果。故選取長槳葉攪拌頭進行后續模擬。

2.3 攪拌頭插入深度對鐵液流速的影響

通過模擬計算，得出攪拌頭上部位于液面下不同深度處包頂、底面鐵液流速，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，攪拌頭位于液面下600 mm時，鋼包頂部鐵液流速出現3.5 m／s的峰值，且越靠近頂面，鐵液流速增大越快，但過快會引起噴濺。攪拌頭位于液面下900 mm時，鋼包底部鐵液流速出現4 m／s的峰值，且越靠近包底，鐵液流速增大越快，此時鐵液對鋼包底部沖刷也大。由于攪拌頭插入過深會增大攪拌阻力，影響攪拌頭壽命，故攪拌頭插入深度為液面下800 mm處較合適。

圖5 攪拌頭上部位于液面下不同深度處包頂、底面鐵液流速圖Fig.5 Velocity distribution diagram of iron melt at the top and bottom of the ladle，with the mixing blade at varied depths

2.4 攪拌頭轉速對鐵液流速的影響

在Tecplot中進行后處理，利用CAD對不規則區域進行面積計算。選擇三維多段線對不同速度區域進行標注，計算其面積，得出不同鐵液流動速度的面積累積百分比。不同攪拌頭轉速下鐵液流速累積分布曲線如圖6所示。由圖6中可以看出，隨著攪拌頭轉速的增大，低速區面積逐漸減小，攪拌效果不斷改善。當攪拌頭轉速為50 r／min時，鐵液流速最大值為1.5 m／s，鋼包中鐵液流速為1～1.5 m／s的區域居多，低于1 m／s的區域占10%左右，此時攪拌不充分；當攪拌頭轉速為80 r／min時，鐵液流速低于1.5 m／s的區域小于10%，鐵液流速高于2 m／s的區域達80%以上；當攪拌頭轉速增大到120 r／min時，鐵液流速最大值接近4 m／s，流速位于2～4 m／s的區域占90%以上，具有良好的攪拌效果；當攪拌頭轉速增至140 r／min后，鐵液流速高于4 m／s以上的區域增大，此時，鐵液流速過大，有可能產生鐵水噴濺或設備損壞等不良后果。故攪拌頭轉速選擇為80～120 r／min較合適。

圖6 不同攪拌頭轉速下鐵液流速累積分布曲線Fig.6 Accumulative distribution curve of iron melt flow velocity at different blades velocities

生產實際中攪拌頭轉速多為80～120 r／min，插入深度一般為鐵水液面下1 500 mm［4－6］。李鳳喜等［7］提出的武鋼二煉鋼KR鐵水脫硫生產中，攪拌頭轉速在90～120 r／min、插入深度為600 mm，這與本文得出的攪拌頭轉速為80～120 r／min、插入深度為800 mm的結論基本相符。

3 結論

（1）尺寸為2B＝1 300 mm的長槳葉攪拌頭具有較好的攪拌效果；

（2）攪拌頭插入深度為鐵液下800 mm左右為宜。

（3）攪拌頭轉速為80～120 r／min時可取得較好的攪拌效果。

［1］ 李進良，李承曦.精通FLUENT6.3流場分析［M］.北京：化學工業出版社，2009：278－298.

［2］ 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］ 李榮生，李維斌.攪拌器攪拌流場的三維數值模擬［J］.農機化研究，2003（4）：75－77.

［4］ 曾彤，歐陽德剛，李具中，等.鐵水罐KR機械攪拌式脫硫水模試驗研究及應用［J］.冶金信息導刊，2007（3）：27－29.

［5］ 楊樹森，賈猛.KR攪拌法鐵水預處理工藝簡介［J］.包鋼科技，2009，35（1）：85－87.

［6］ 劉榴，陳黎明.KR法鐵水脫硫主體設備介紹及有關計算［J］.冶金設備，2002（4）：36－39.

［7］ 李鳳喜，李具中.武鋼二煉鋼KR鐵水脫硫生產實踐［J］.煉鋼，2005（5）：1－5.