连铸结晶器内流体流动及卷渣行为影响

连铸结晶器内流体流动及卷渣行为影响

刘亚龙

内蒙古科技大学材料与冶金学院 ，内蒙古包头   014010

摘要：连铸结晶技术作为一种重要的金属制造工艺，广泛应用于钢铁、铝合金、镁合金等金属材料的生产中。在连铸过程中，内流体流动是决定结晶器内液相和固相形态、结晶速度和质量的关键因素之一。为了深入理解内流体流动的物理机制，并进一步优化连铸工艺，研究人员通过建立数学模型和进行数值模拟，对连铸结晶器内流体流动进行了广泛的研究。本文将从内流体流动的物理模型和数值模拟两个方面，对连铸结晶器内流体流动的研究进行综述，并对未来的研究方向进行展望。

关键词：连铸结晶 物理模型 数值模型

一、连铸结晶器内流体流动的物理模型

在连铸结晶器内，液相金属经过多次复杂的流动过程，包括入口区、扩散区、温度梯度区、背面区等。不同区域内的流动现象受到多种因素的影响，如结晶器几何形状、结晶器表面温度、结晶器与液相金属之间的传热和质量传递等。为了描述和预测这些流动现象，研究人员提出了多种物理模型，包括传统的二维轴对称模型、三维模型、多相模型等。

1.1二维轴对称模型

二维轴对称模型是最简单的一种内流体流动模型，它假设结晶器内的流动在一个平面上进行，并且不考虑结晶器的轴向变化。这种模型通常用于描述连铸结晶器的入口区和扩散区，对于较简单的结晶器几何形状和液相金属的流动现象可以得到合理的结果。在二维轴对称模型中，常常采用雷诺平均Naiver-Stokes(RANS)方程作为基本方程，并结合质量守恒和能量守恒方程，通过求解这些方程，可以得到结晶器内的速度、温度和浓度等流动参数的分布。然而，二维轴对称模型忽略了结晶器的轴向变化，无法准确描述结晶器内复杂的三维流动现象，因此在处理某些复杂结晶器几何形状和流动现象时，二维轴对称模型可能存在一定的局限性。

1.2三维模型

三维模型考虑了结晶器内流动的三维性，可以更准确地描述结晶器内复杂的流动现象。三维模型通常基于Navier-Stokes方程和质量守恒、能量守恒等守恒方程，通过数值方法求解这些方程，得到结晶器内的速度、温度和浓度等流动参数的三维分布。三维模型可以更真实地模拟结晶器内的流动行为，对于复杂结晶器几何形状和复杂流动现象的研究具有较高的精度和可靠性。近年来，随着计算机技术的不断发展，三维模型在研究连铸结晶器内流体流动中的应用逐渐增加，为深入理解连铸过程中流动现象的特点和规律提供了更为详细的信息。

1.3多相模型

在连铸结晶过程中，液相金属与固相结晶之间存在相互作用和界面耦合现象。多相模型考虑了液固两相之间的相互作用，通过描述两相之间的质量传递、热传递和动量传递等现象，可以更准确地模拟结晶器内的流动行为。在多相模型中，常用的方法包括相场模型、界面追踪法和面积法等。相场模型将液固两相的界面看作是一个界面区域，通过在界面区域内引入相场函数来描述两相之间的相互作用；界面追踪法通过在两相之间定义一个固定的界面，追踪界面的位置和形态来描述两相之间的相互作用；面积法则通过定义界面的面积分数来描述两相之间的相互作用。多相模型可以更精确地描述结晶器内的液固两相流动，对于研究液相金属与固相结晶之间的相互作用和界面现象具有重要意义。

二、连铸结晶器内流体流动的数值模拟

数值模拟是研究连铸结晶器内流体流动的重要方法之一。通过数值模拟，可以在不同条件下对结晶器内的流动行为进行定量预测和分析，为优化连铸工艺和改善结晶质量提供指导。数值模拟方法主要包括有限差分法、有限体积法、有限元法、格子Boltzmann方法等。

2.1有限差分法

有限差分法是一种常用的数值模拟方法，它将流场连续性方程、动量方程、能量方程等守恒方程转化为差分格式，通过离散化计算区域内的网格点上的物理量值，从而获得流场的数值解。有限差分法在连铸结晶器内流体流动的数值模拟中被广泛应用。在有限差分法中，通过选取不同的差分格式、网格剖分和边界条件等参数，可以对结晶器内流动的速度、温度、浓度等参数进行精确的数值计算。有限差分法在计算速度和温度等参数时较为简单和直观，但由于其网格剖分方式的限制，对于复杂的结晶器几何形状和流动现象的描述可能存在一定的局限性。

2.2有限体积法

有限体积法是一种基于控制体的数值模拟方法，它将流场守恒方程转化为控制体上的积分形式，通过对控制体内的物理量进行积分和平衡，得到流场的数值解。有限体积法在连铸结晶器内流体流动的数值模拟中也得到了广泛应用。与有限差分法不同，有限体积法通过控制体的积分形式可以更好地处理复杂的几何形状和边界条件，并且在质量守恒和能量守恒等方面具有较好的数值稳定性。有限体积法在模拟结晶器内的流动行为时，能够较好地考虑液固两相之间的相互作用和界面现象，对于模拟液相金属与固相结晶之间的相互作用具有优势。

2.3有限元法

有限元法是一种基于弱形式和变分原理的数值模拟方法，它将流场守恒方程转化为弱形式，通过在流场中引入一组适当的测试函数，并对测试函数和守恒方程进行积分，从而得到流场的数值解。有限元法在结晶器内流体流动的数值模拟中也得到了应用。与有限差分法和有限体积法相比，有限元法具有较好的自适应性和处理复杂几何形状的能力，并且对于非结构化网格和大变形流动等情况有较好的适应性。有限元法在模拟结晶器内流动时可以较为精确地描述流场的细节，如速度梯度、温度梯度等，并且能够处理复杂的流动现象，如液滴破裂、气泡形成等。

2.4格子Boltzmann方法

格子Boltzmann方法是一种基于微观粒子模拟的数值模拟方法，它通过模拟分子碰撞和运动来描述流体的宏观行为。格子Boltzmann方法在连铸结晶器内流体流动的数值模拟中也得到了应用。格子Boltzmann方法在模拟多相流、非平衡态流动和界面现象等方面具有优势，可以较为精确地描述结晶器内的复杂流动行为，并且可以处理多相流动、相变等复杂现象。

2.5  综合而言，以上所介绍的数值模拟方法在连铸结晶器内流体流动的研究中都得到了应用，并且在不同情况下各自具有不同的优势和适用性。在选择合适的数值模拟方法时，需要根据研究对象的几何形状、流动特性以及研究目标的要求来进行合理选择。此外，数值模拟方法的准确性和可靠性也需要通过与实验数据的对比和验证来进行评估。

2.6近年来，随着计算机硬件性能的不断提升和数值模拟方法的不断发展，连铸结晶器内流体流动的数值模拟研究取得了许多重要的进展。通过数值模拟方法，研究人员可以深入理解结晶器内复杂的流动现象，揭示液相金属与固相结晶之间的相互作用和界面现象，优化结晶器设计，提高铸锭质量和生产效率。然而，目前的数值模拟方法在处理多尺度、多物理场、多相互作用等复杂情况下仍然存在一定的挑战，需要不断改进和发展。

2.7除了数值模拟方法外，模型的参数选择、边界条件的设定以及实际问题的简化假设等也会对模拟结果的准确性和可靠性产生影响。因此，在进行连铸结晶器内流体流动的数值模拟研究时，需要综合考虑这些因素，并进行合理的模型设定和参数选择，以确保模拟结果的可靠性和准确性。

2.8此外，还有一些新兴的研究方向和方法在连铸结晶器内流体流动的数值模拟中逐渐得到应用。例如，多尺度模拟方法可以同时考虑微观和宏观尺度的流动行为，从而更好地理解结晶器内的物理现象。多物理场耦合模拟方法可以考虑结晶器内的温度、流速、相变等多个物理场之间的相互作用，更加真实地模拟实际流动情况。机器学习方法可以通过训练模型来自动识别和预测流动行为，从而提高模拟的准确性和效率。

2.9此外，数值模拟方法在连铸结晶器内流体流动研究中还可以与实验相结合，通过实验数据的验证和对比来验证数值模拟结果的准确性。实验可以提供实际流动现象的详细信息，从而验证数值模拟的可靠性，并且可以为数值模拟方法的改进和发展提供有力的支持。

三 结束语

总的来说，连铸结晶器内流体流动的数值模拟研究在铸造工艺优化、铸锭质量控制和生产效率提高等方面具有重要的应用价值。随着数值模拟方法和计算机硬件的不断发展，将会有更多的先进方法和技术应用于这一领域，从而深入理解结晶器内复杂的流动现象，优化连铸工艺，提高铸锭质量和生产效率，推动铸造工业的发展。