Чисельне дослідження особливостей формування газових струменів при продувці крізь складені сопла із різною часткою периферійної складової
DOI:
https://doi.org/10.15407/steelcast2026.03.008Ключові слова:
продувка газом, недорозширений газовий струмінь, складене сопло, периферійна частка, газодинамічні процеси, чисельне моделювання, число Маха, CFD-моделюванняАнотація
Дослідження особливостей витікання газового струменя із сопел різної конструкції є важливою складовою сучасності промислової науки та техніки, адже газова продувка досить широко представлена у різних галузях, у тому числі металургійній практиці виплавки сталей. При цьому наразі набуває значної популярності чисельне дослідження шляхом CFD-моделювання (обчислювальної гідродинаміки) газо-гідродинамічних процесів із використанням програмного комплексу ANSYS Fluent, який дозволяє зі значною достовірністю швидко та за невеликих витрат отримати результати у широких діапазонах змінних умов для складних процесів продувки. Для металургійної галузі характерною є продувка з недорозширеним струменем задля підтримання стабільних умов роботи процесів, які вона супроводжує, й використання сопел різної конструкції відповідно до поставлених задач. В статті представлено результати CFD-моделювання особливостей витікання газового струменя зі складених сопел (сопла мають центральну циліндричну частину та периферійну кільцеву частину, яка розташована навколо центральної) із різною часткою периферійної кільцевої складової в діапазоні надлишкового тиску 200— 600 кПа. Результати досліджень порівняні з результатами продувки крізь циліндричне сопло еквівалентного діаметра. Встановлено геометричні особливості формування газових струменів за умов збільшення периферійної складової та надлишкового тиску. Вказано переваги більшої частки периферійної кільцевої складової щодо величини числа Маха на виході з продувного сопла та довжини потенційного ядра струменя. Відповідно до результатів математичної статистичної обробки створено прогнозні залежності положення першого диска Маха та довжини потенційного ядра від показника недорозширення струменя та особливостей конструкції складених сопел, виражених у співвідношенні зовнішніх діаметрів та площин перетину периферійної та центральної складових, перевірка яких вказує на їх достатньо високу адекватність.
Посилання
Asahara, N., Naito, K., Kitagawa, I., Matsuo, M., Kumakura, M., & Iwasaki, M. (2011). Fundamental Study on Interaction between Top Blown Jet and Liquid Bath. Steel Research International, 82(5), 587-594. https://doi.org/10.1002/srin.201100041
Smirnov, A. N., Sharandin, K. N. & Lebedev, E. N. (2010). Physical simulation of metal mixing in a converter with hybrid injection. Steel in Translation, 40, 796-799. https://doi.org/10.3103/S0967091210090032
Wang, Zh., Chen, S., Wu, C., Chen, N., Li, J., & Liu, Q. (2024). Effect of bottom stirring on bath mixing and transfer behavior during scrap melting in BOF steelmaking: A review. High Temperature Materials and Processes, 43(1). 20220322. https://doi.org/10.1515/htmp-2022-0322
Shukla, A. K., Deo, B., Millman, S., Snoeijer, B., Overbosch, A., & Kapilashrami, A. (2010). An Insight into the Mechanism and Kinetics of Reactions in BOF Steelmaking: Theory vs Practice. Steel Research International, 81(11), 940-948. https://doi.org/10.1002/srin.201000123
Тimoshenko, S. М., Smirnov, О. М., & Nemtsev, Е. М. (2023). Numerical studies of the kinetics of steel desulfurization under pneumatic mixing. Metal and Casting of Ukraine, 31(4(335), 18-24. https://doi.org/10.15407/steelcast2023.04.02 [in Ukrainian].
Ek, M., Wu, L., Valentin, P., & Sichen, D. (2010). Effect of Inert Gas Flow Rate on Homogenization and Inclusion Removal in a Gas Stirred Ladle. Steel Research International, 81(12), 1056-1063. https://doi.org/10.1002/srin.201000102
Michalek, K., Tkadlečková, M., Socha, L., Gryc, K., Saternus, M., Pieprzyca, J., & Merder, T. (2018). Physical modelling of degassing process by blowing of inert gas. Archives of Metallurgy and Materials, 63(2), 987-992. https://doi.org/10.24425/122432
Bergquist, E-L., Huhtala, T., & Karlsson, L. (2011). The effect of PURGING GAS on 308L TIG root pass FERRITE CONTENT. Welding in the World, 55, 57-64. https://doi.org/10.1007/BF03321287
Novianto, E., Iswanto, P. T., & Mudjijana, M. (2018). The effects of welding current and purging gas on mechanical properties and microstructure of tungsten inert gas welded aluminum alloy 5083 H116. Proceedings of the 3rd Annual Applied Science and Engineering Conference (AASEC 2018), April 18, 2018, Bandung, Indonesia, vol. 197, 12007. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819712007
Barigozzi, G., Abdeh, H., Rouina, S., & Franchina, N. (2022). The Aero-Thermal Performance of Purge Flow and Discrete Holes Film Cooling of Rotor Blade Platform in Modern High Pressure Gas Turbines: A Review. International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power, 7(3), art. 22. https://doi.org/10.3390/ijtpp7030022
Walker, A. D., Koli, B., & Beecroft, P. A. (2019). Influence of Purge Flow Swirl at Exit to the High-Pressure Compressor on OGV/Pre-Diffuser and Combustion System Aerodynamics. ASME. Journal of Turbomachinery, 141(9), 091009. https://doi.org/10.1115/1.4043781
Balz, R., Bernardasci, G., Rotz, B. von, & Sedarsky, D. (2021). Influence of nozzle geometry on spray and combustion characteristics related to large two-stroke engine fuel injection system. Fuel, 294, 120455. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120455
Villarreal-Valderrama, F., Zambrano-Robledo, P., Hernandez-Alcantara, D., & Amezquita-Brooks, L. (2021). Turbojet Thrust Augmentation through a Variable Exhaust Nozzle with Active Disturbance Rejection Control. Aerospace, 8(10), art. 293. https://doi.org/10.3390/aerospace8100293
ElNeiri, M. H., Dahab, A. S. A. H., Abdulaziz, A. M., & Abdelkhany, K. M. (2023). Laser drilling: reviewing the effect of purging system and formation parameters. Journal of Engineering and Applied Science, 70, art. 98. https://doi.org/10.1186/s44147-023-00260-2
Riveiro, A., Quintero, F., Boutinguiza, M., Del Val, J., Comesaña, R., Lusquiños, F., & Pou, J. (2019). Laser Cutting: A Review on the Influence of Assist Gas. Materials, 12(1), art. 157. https://doi.org/10.3390/ma12010157
Chabert, S, Gonzalez, J.-J., & Freton, P. (2024). Cutting and Shield Gases Pressure Effects on Plasma Cutting Quality. Welding Journal, 103(03), 75-84. https://doi.org/10.29391/2024.103.007
Naik, D. K., & Maity, K. (2019). Experimental analysis of the effect of gas flow rate and nature on plasma arc cutting of hardox-400. Welding in the World, 64, 345-352. https://doi.org/10.1007/S40194-019-00836-8
Adamson, T. C. Jr., & Nicholls, J. A. (1959). On the Structure of Jets from Highly Underexpanded Nozzles into Still Air. Aerospace Sciences Archive, 26(1), 16-24. https://doi.org/10.2514/8.7912
Shapiro, A. H. (1953). The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, vol. 1. The Ronald Press Company.
ANSYS 19.1 Help Viewer. ANSYS Documentation. Fluent. Theory Guide. https://ansyshelp.ansys.com/public/account/secured?returnurl=/Views/Secured/corp/v242/en/flu_th/flu_th.html
ANSYS. 4.4.2 RNG k-epsilon Model. https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node59.htm
Wilcox, D. C. (1993). Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries Inc., 239-292.
Sarkar, S., & Balakrishnan, L. (1990). Application of a Reynolds-Stress Turbulence Model to the Compressible Shear Layer. ICASE Report 90-18NASA CR 182002.
Liu, F., Sun, D., Zhu, R., & Li, Y. (2019). Characteristics of Flow Field for Supersonic Oxygen Multijets with Various Laval Nozzle Structures. Metallurgical and Materials Transactions B, 50, 2362-2376. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01652-7
Zhang, Z., Yi, B., & Tan, Zh. (2012). Numerical Simulation of Flow Field in the Laval Nozzle Based on Euler Equation. Journal of Physics: Conference Series, art. 012089. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2012/1/012089
Kassem, F.-M. (2025). Investigation of the effect of different throat diameters on the flow characteristics of a sonic nozzle. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 0(0). https://doi.org/10.1177/09544089251367241
Luhtura, F. I. (2015). Issledovanie parametrov sverhzvukovyh neraschetnyh strui gaza [Study of the parameters of supersonic uncalculated gas jets]. Bulletin of the Azov State Technical University. Series: Technical Sciences, 30(1), 192-202 [in Russian].
Odenthal, H.-J., Grygorov, P., Reifferscheid, M., & Schlüter, J. (2013). Advanced blowing and stirring conditions in the BOF process. Proceedings of the AISTech 2013 – The Iron & Steel Technology Conference and Exposition, 6–9 May 2013, Pittsburgh, PA., USA, pp. 897-909.
Duronio, F., Villante, C., & De Vita, A. (2023). Under-Expanded Jets in Advanced Propulsion Systems – A Review of Latest Theoretical and Experimental Research Activities. Energies, 16(18), art. 6471. https://doi.org/10.3390/en16186471
Muraoka, R., & Hiejima, T. (2022). Onset conditions for Mach disk formation in underexpanded jet flows. Physics of Fluids, 34(11), art. 116125. https://doi.org/10.1063/5.0122861
Franquet, E., Perrier, V., Gibout, S., & Bruel, P. (2015). Free underexpanded jets in a quiescent medium: A review. Progress in Aerospace Sciences, 77, 25-53. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.06.006
Lau, J. C., Morris, P. J., & Fisher, M. J. (1979). Measurements in subsonic and supersonic free jets using a laser velocimeter. Journal of Fluid Mechanics, 93(1), 1-27. https://doi.org/10.1017/S0022112079001750
Alam, M. M. A., Mamun, M., Hatsuse, Y., Islam, M. K., Saadi, M. M. U., & Takao, M. (2026). Mixing Characteristics of Supersonic Jets Injected into a Pressurized Gas Environment. Applied Sciences, 16(12), art. 6190. https://doi.org/10.3390/app16126190
Soulopoulos, N., Hardalupas, Y., & Taylor, A. M. K. P. (2015). Mixing and scalar dissipation rate statistics in a starting gas jet. Physics of Fluids, 27(12), art. 125103. https://doi.org/10.1063/1.4935233
Krause, E. (2025). Fluid Mechanics With Problems and Solutions, and an Aerodynamic Laboratory. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co.
Golub, T., Molchanov, L., & Semykin, S. (2023). Studying the possibility of using coherent type nozzles for BOF blowing at the gas dynamic simulation stand. Science and Innovation, 19(4), 79-92. https://doi.org/10.15407/scine19.04.079
Barker, M. (1922). On the use of very small pitot-tubes for measuring wind velocity. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 101(712), 435-445. https://doi.org/10.1098/rspa.1922.0055
Otobe, Y., Kashimura, H., Matsuo, S., Setoguchi, T., & Kim, H.-D. (2008). Influence of nozzle geometry on the neare-field structure of a highly underexpanded sonic jet. Journal of Fluids and Structures, 24(2), 281-293. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2007.07.003
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Т.С. Голуб, Л.С. Молчанов, О.М. Мінай
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
