冶金传输原理 知识点35

如：若要保证2个主Π数均相等为保证两主Π数同时相等，应有由Fr数相等由Re数相等5.5模型研究方法1、近似模化法：

分析在相似条件中哪些因素对过程是主要的，起决定作用的，哪些是次要的，所起作用不大。对前者尽量加以保证，而对后者只做近似保证，甚至忽略不计。1）动力相似可以用相似准数表示，若原型和模型流动动力相似，各同名相似准数均相等，如果满足则称为完全的动力相似。2）事实上，不是所有的相似准数之间都是相容的，如果所有的相似准数都相等，意味着各比例系数均等于1，实际上办不到，相当于模型流动和原型流动就成为了相等流动。3）我们寻求的是主要的，使两者达到主要的动力相似，而忽略次要的影响。设k=0.1，ν=0.1cm2/s，应有νm=0.00032cm2/s。无法找到运动粘度系数如此低的实验流体来实现完全相似。造船业上的惯常方法是：保证Fr数为主Π数作模型实验，然后根据经验对粘性阻力影响作修正处理，称为近似相似。

4）要达到主要动力相似就应该根据所研究或所需解决的原型流动的性质来决定.如:①对于重力起支配作用的流动，选用Fr准数为主要相似准数，满足Frm=Frp；②管道流动，流体机械中的流动：Re数为决定性相似准数，满足Rem=Rep，③可压缩流动：Ma数为决定性相似准数，满足Mam=Map

2、自模性

从穆迪图上可看到，当Re数达到足够大后，管道流动进入完全粗糙区时，阻力系数保持常数，与Re无关，而仅与粗糙度有关。这种与主Π数无关的流动称为自模性。

当模型和实物中的流动是强制流动时，必须使两者的Re相等，其流速分布才能相似，但实际上，当Re>Recr后，流动图象及Eu不再随Re而变——自模化。

思考：1、如何解释“自模化”？

2、为什么会出现“自模化”现象？说明：（1）粘性流体运动中，决定流动为何种状态的是Re准数，但Re的这种决定作用只有在一定条件下才存在。①当Re小于第一临界值时，流动是层流状态，速度分布皆彼此相似，与Re数值不再有关，——第一自模区；②当Re大于第二临界值时，流动呈紊流状态，不管Re多大，流动状态与流速分布不再变化，都彼此相似——第二自模化区。（2）第一、二自模化区分析层流状态时，Re↓↓，粘性力>>惯性力，后者可忽略，紊流状态时，Re↑↑，惯性力>>粘性力，后者可忽略。以上两种情况，由运动方程均导不出Re

准数。说明：这两种状态下，流动与Re无关，即对Re数是自动模化的.思考：实验过程中如何判别已进入自摸化状态？如何应用自摸化？（3）理论分析和实验结果表明：流动进入第二自模化区以后，Eu不再变化，为一定数。可作为试验模型中的流动是否进入第二自模化区的标志。（4）只要原型设备的Re数处于自模化区以内，则模型中的Re数不必与原型相等，只要与原型处于同一自模化区即可。（5）何时需自模化?①流动需同时考虑Re与Fr时；②即使只需Re相等，但风机能力有限or避免浪费；3、流体流动的稳定性：粘性流体在管道内流动时，不管入口处速度分布如何，流经一段距离后，速度分布的形状就固定下来，这种特殊性称为稳定性。思考：何时需要自模化?总结：结晶器中间包课外扩展：近似模化法的应用钢包水模型示意图修正弗鲁德准数(Fr‘)采用电导率法，混匀时间反映钢包成分和温度均匀的快慢。根据某钢铁公司所提供的中间包原型尺寸以及实验室现有条件，选取中间包模型与原型的几何相似比为λ=1:4。动力相似主要考虑中间包模型与原型的Re数和Fr准数相等。当模型系统中Re进入第二自模化区（104～105）时，系统处于自模化状态。速度比：流量比：时间比：弗鲁德准数(Fr)中间包对流场的定性显示，主要有高速摄影法与示踪剂法如注入墨水、黑芝麻等；以某钢厂FTSC薄板坯连铸结晶器为研究对象，1010mm×92.5mm铸坯断面。本实验将模型与原型的几何相似比确定为1:2。工

艺

参

数原型模型结晶器厚度，mm92.546.25结晶器宽度，mm1010505水口浸入深度，mm10552.2流体流量，m3/h

(26.36~29.14)，

(4.66~5.15)，表1模型实验参数以及相应的实际工艺参数薄板坯连铸结晶器保护渣用紫色甲基橙溶液着色的航空柴油模拟，在模拟保护渣的卷入时将发泡粒子作为保护渣。相似准数的确定:结晶器内钢液的流动主要是受惯性力和重力的影响，因此只要保证模型与原型的弗鲁德准数(Fr)相等，就能保证两者的动力相似弗鲁德准数(Fr)可表示为：式中，g为重力加速度，L为特征尺寸，U为特征速度。

实验模型及过程:模型中水的体积流量结晶器相似条件：

根据相似原理，在建立复吹转炉物理模型时，主要考虑原型与模型的几何相似和动力相似。1）几何相似：主要应考虑选择合适的相似比。几何相似比可以表示为：

本次实验中的几何相似比取为10：1。2）动力相似：1、实验的基本原理——相似理论相似准数——修正的Froude准数聚合射流与熔池相互作用的模型研究

忽略对冲击深度影响较小的因素：可写成：修正的Froude准数。与Froude准数相比，它是根据顶吹气体的冲力和底吹气体的浮力两个力作用强度的不同，以及水和钢液两种液体密度等的差异而定义的准数。气体射流冲击液面诸参数示意图相似准数——修正的Froude准数

射流冲击液面的各个参数如图所示（脚注g和L分别表示气体和液体）：整理出准数方程式根据流量公式设计实验用氧枪：

其中kg/s计算得出3.氧枪设计均匀混合时间：通常有如下三种测量方法：

电导电极法;

激光-光电测匀法;

酸度（PH值）变化测定法氧枪枪位穿透深度及冲击面积：在热态钢水里难以实测射流的速度场，也很难观察到炉内钢水凹坑的形状及其运动，所以主要依靠水模型进行模拟实验。4、工艺参数5、实验装置及研究方法

1）实验装置

1─转炉；2─氧枪；3─玻璃管；4─底供气元件；5─水；6─电导电极；7─转子流量计；8─稳压管；9─空气压缩机；10─储气罐