[发明专利]一种大方坯连铸旋流水口的设计方法

权利要求书

1.一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、根据原有大方坯连铸旋流水口尺寸，运用Gambit造型软件建立三维数学模型，并进行网格化模型、制定模型边界条件定义，并导出msh文件，其中，所述边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、模型顶面边界条件和结晶器壁面边界条件；

S2、将步骤S1导出的msh文件导入模拟软件Ansys Fluent中进行模拟计算；

S3、模拟计算结束后提取数据，在Ansys Fluent软件中提取结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向和窄面方向切向速度分布数据，并在后处理软件Tecplot中，建立铸坯宽面和窄面方向距离与其相对应的切向速度直角坐标系点状图；

S4、对后处理结果进行分析：根据步骤S3获得的所述直角坐标系点状图，判断窄面方向的切向速度与宽面方向的切向速度的大小；

S5、调整大方坯连铸旋流水口出口的高度和倾角；当调整后的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度，使宽面方向和窄面方向的切向速度差小于0.1m/s时，为所需的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

S201、网格导入与处理：读取S1中保存的msh文件，检查网格，保证minimum volume不小于0，设置网格区域尺寸；

S202、设置物理模型及材料：根据实际设置求解器类型、重力加速度为Y轴负方向，选择计算模型湍流模型和温度场模型、设置流体材料、加载电磁力；

S203、设置操作环境和边界条件，其中，在边界条件中，所述入口边界条件包括入口速度v_inlet、湍动能k、湍动能耗散率ε和入口温度T_in，根据公式(1)-(4)获得，

式中v_cast为拉坯速度，单位为m/min；S_out为模型出口截面面积，单位为m²；S_in为浸入式水口入口处截面面积，单位为m²，所述v_inlet单位为m/min；

式中，R_noz为水口入口半径，单位为m；

T_in＝T_l+ΔT (4)

式中，T_l为钢液液相线温度，单位为K；ΔT为钢液过热度，单位为K；

所述模型顶面设为自由液面，垂直于液面的速度分量及所有其他各变量沿液面法线方向的梯度设为零，满足公式(5)，所述所有其他各变量包括v、h、湍动能k和湍动能耗散率ε；

其中，v为模型自由表面x与z方向的速度大小，单位为m/min；h为钢液显热，单位为J/kg，其中h＝C_pT_in，C_p为比热，单位为J/(kg·k)；u为拉坯方向速度，单位为m/min；

所述出口边界条件需要满足的条件，模型出口处流动充分发展，即各物理量沿出口截面的法向导数为零；所述各物理量包括速度、压力、湍动能k和湍动能耗散率ε；

所述结晶器壁面边界条件在结晶器壁面处，垂直于壁面的速度分量为零，而平行于壁面的分量采用无滑移边界条件，满足公式(6)，

v_outlet＝v_cast,v＝k＝0 (6)

所述结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q根据公式(7)获得，

式中，t是时间，单位为s；且t＝L_mold/v_cast，即铸坯通过结晶器所需要的时间，L_mold为结晶器的有效长度；所述热流密度q的单位为MW/m²；

S204、设置求解方法和控制参数：设置求解方法，打开Solution Methods面板，压力与速度耦合方式对应SIMPLE算法，梯度选择GREEN-Gauss Cell Based，压力采用PRESTO格式，动量方程选用Second Order Upwind格式；设置求解控制参数，点击solution controls面板，保持默认；

S205、设置监视窗口和初始化；

S206、求解:打开Run Calculation面板，在Number of Iterations下输入迭代步数，在Time Step Size下输入时间步长；点击Calculate按钮，开始计算，其中，所述时间步长的限制条件如公式(8)所示，

式中Δt是时间步长，单位为s；Δx为网格尺寸，单位为m，a为热扩散系数，单位为m²/s，所述k_eff是导热系数，单位为W·m^-1·℃^-1；所述c_eff为有效热容，单位为J·kg^-1·℃^-1；所述ρ为钢液密度，单位为kg/m³；

其中，求解获得的参数包括所述入口速度v_inlet、湍动能k、湍动能耗散率ε、浇注温度、出口速度v_outlet、时间步长Δt和结晶器热流密度q。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S5包括：若铸坯宽面方向切向速度小于窄面方向速度，则将初始模型中水口与宽面对应的出口上调2mm，与窄面对应的出口倾角上调1～2°；反之，若宽面方向的切向速度大于窄面方向的切向速度，将初始模型中水口与窄面对应的出口上调2mm，与宽面对应的出口倾角上调1～2°，以此为初始三维数学模型尺寸，继续重复所述步骤S1-S5，直至所述宽面方向和窄面方向的切向速度差小于0.1m/s为止。