冶金熔池内气液反应流界面传质机理与多尺度耦合研究

The quantitative description of the transfer and reaction behavior of gas –liquid reaction flow in bath will be an essential method which is helpful to achieve the precise control of smelting process and the purpose of high efficiency and clean in the productive process. Focusing on the characteristics in bath such as high density ratio, high Reynolds number and uneven concentration distribution of components, the mechanism and regularity of mass transfer in gas-liquid interface will be studied in this application by developing the lattice Boltzmann model for simulation of the multiphase/multicomponent flow, and the equation will be induced to descript the relationship between the interfacial mass transfer coefficient and the physical properties, velocity, concentration basing on the model. Meanwhile, the feature data of physical field will be distinguished and extracted in the gas-liquid reaction flow by the interface tracking and the key parameters automatic extracting. Moreover, to solve the problems of complexity of two-phase flow and overall domain, the calculation method of multi-scale coupling for the gas-liquid reaction flow in bath will be developed through coupling the mass transfer coefficient equation into the model built by FVM. The outcome of the application will be of great help to improve the quantitative description of the transfer and reaction behavior of gas-liquid two-phase flow in bath, thus precisely control the smelting process.

熔池内气-液反应流中传递与反应行为的科学定量描述是实现冶金熔池熔炼过程精细调控、达到高效清洁冶炼目的的必要手段。本项目拟针对熔池内液气密度比高、雷诺数大、各组分浓度分布不均匀等特点，通过发展适用于高密度比、高雷诺数的多相/多组分格子Boltzmann模型来研究气-液界面传质机理与规律，归纳界面传质系数与物性、速度、浓度等参数的数学关联形式；通过研究界面追踪、关键物理场的自动提取等技术来实现宏观物理场内主要特征数据的识别与提取；针对熔池内气-液两相流动行为复杂、求解区域大的特点，将所得传质系数方程耦合至FVM所建模型中，建立熔池内气-液反应流的多尺度耦合计算方法。本项目的研究成果将为科学定量描述冶金熔池内气-液传递与反应过程，进而实现熔炼过程的精细调控提供理论与技术支撑。

熔池内气-液反应流中传递与反应行为的科学定量描述是实现冶金熔池熔炼过程精细调控、达到高效清洁冶炼目的的必要手段。本项目针对气液界面传质过程，通过源项将Z-S-C模型与浓度分布函数进行耦合，构造了适用于分析气液运动界面传质行为的LBM模型，在此基础上分析了气泡直径、表面张力、液相粘度系数和扩散系数对传质过程的影响，并总结得到了相应的传质系数无量纲数学关联式。针对气液流动过程复杂的流型流态问题，采用丝网传感技术获取了结构化喷嘴条件下的气液流动情况，采用X射线显影技术研究了液态金属内的气泡流运动规律，采用高速摄影技术获得了气-水系统中大流量情况下的气液流动规律，并分析了已有经验关联式的适用性；采用欧拉-欧拉方法模拟了液态金属和气-水系统内的气液流动过程，并分析了不同湍流模型和气泡诱导湍流模型对计算准确度的影响；提出了基于凝聚层次聚类的气泡识别方法和“数据空间软分割－子空间分别处理－结果合并”的处理方法，结果表明该方法能够高效地识别气液两相流中的气体的聚集形态。针对熔池内的气液反应流行为，基于欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法，在ANSYS Fluent平台上通过添加UDF成功模拟了鼓泡塔内CO2气体与NaOH溶液的反应过程，并探究了不同气液传质模型、增强因子模型对计算准确性的影响。在上述研究基础上，进一步研究了底吹铜熔池熔炼炉内的复杂气液反应过程。项目发表SCI论文8篇，EI论文2篇，会议论文3篇，中文核心期刊论文1篇，待发表论文1篇。培养博士生2人，均已取得学位，培养硕士生6人，均已取得硕士学位。项目投入经费60万，已支出40.324万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费19.676万元，剩余经费计划用于该项目后续的研究支出。