冶金多相反应器内离散相运动行为与比相界面积和传质系数时空分布的多尺度研究

本项目以定量解析冶金多相反应器内的比相界面积和传质系数的时空分布为目的，以具有典型代表性的转炉乳化体系为具体研究对象，解析渣/金液滴在连续相中的传输行为。基于第一原理，耦合微观尺度单个液滴的运动行为、介观尺度液滴群结构变化和宏观尺度多相反应器内场的输运，构建三层次跨尺度理论模型和数值模拟体系，对弥散体系内离散相的传输过程和比相界面积及传质系数的时空分布进行定量表征，从而为建立更加严谨有效的宏观动力学模型提供比相界面积和传输系数的时空分布信息。项目的创新性主要体现在：(1)传质系数从宏观尺度平均概念向基于精确且定量的微、介观时空分布的深度发展；(2)关联宏、介、微观解析比相界面积和传质系数的多尺度方法的建立；(3)液滴尺寸、坐标分布及演化规律的定量表征。研究成果将对取代既无法分开面积和传质系数，又无时空分布信息的容量传输系数，完善冶金宏观动力学及其应用方面具有方法上的意义和应用价值。

本项目以具有典型代表性的转炉渣-金弥散体系为研究对象，解析两相界面分布和渣/金液滴在连续相中的传输行为，进而对传质系数的时空分布进行定量表征。在方法上，基于多相传输理论，耦合微观尺度单个液滴的运动行为、介观尺度液滴群结构变化和宏观尺度多相反应器内场的输运，构建了三层次跨尺度理论模型和数值模拟体系，建立了更加严谨有效的三维CFD-VOF-LBM模型，有层次递进地对转炉内射流行为、射流与熔池的相互作用、液滴的产生及分布等主要内容进行了研究。具体为：研究了单孔超音速射流非设计工况下的动力学行为、多孔超音速的聚并及动力学特征以及操作条件及喷孔布置的影响。通过相似原理指导下的水模实验，研究了射流冲击熔池液面时表面波的形成及振荡、冲击坑的模式、冲击坑尺寸、冲击坑形态；基于实验与理论分析，讨论了液相表面张力对穿透深度的影响机理；通过引入用于冲击坑形成的射流冲击动能利用指数，建立了更为精确的穿透深度分析模型；研究了实际吹炼条件下渣-金界面破碎、液滴分散相形成机理、熔池流场等过程特征以及操作条件和流体物理性质的影响。目前的研究成果对于指导转炉氧枪设计和冶炼实践、理解转炉内复杂物理过程特别是分散相产生机理以及分布，进而转炉内的动力学过程具有重要的参考价值。目前已按项目计划完成项目原设想内容，构建了解析多相反应器内离散相比相界面积分布的跨尺度数值模拟方法和软件，尤其在宏观尺度部分取得了明显的突破。共发表论文14篇次，其中在冶金领域著名的期刊发表了SCI文章4篇，另有EI收录论文5篇次；参加泛太平洋先进材料PRICM-8和美国钢铁年会AISTech2014国际性学术会议2次，国内钢铁冶金领域重要学术会议4次；获得教育部中央高校基本科研业务费基金资助1项；已授权发明专利1项；培养博士研究生1名，硕士1名，本科毕业生2名。