本研究针对顶吹浸没喷枪内液态碳氢化合物燃料流动沸腾的现象进行数值模拟。在顶吹浸没熔炼技术中,顶吹浸没喷枪是向熔池添加燃料的关键设备,由不锈钢外管和碳钢内管组成,分别用于向熔池通入富氧的空气和碳氢化合物燃料。顶吹浸没喷枪从炉体顶部垂直插入渣层,喷枪外管被炉体内部的高温烟气和湍流的熔体包围。当采用液态燃料时,高温烟气及熔体的热量经外管传入内管使液态燃料温度升高,并引起流动沸腾。由于喷枪长度通常具有数米,因此一旦在喷枪内管中出现核态沸腾,在喷枪出口之前可能存在足够的距离使核态沸腾逐步发展成沸腾危机。沸腾的出现改变了顶吹浸没喷枪内碳氢化合物燃料的流动特性,同时还会影响喷枪的喷吹效果,影响熔池熔炼的过程。由沸腾危机引起的管壁温度骤升还会加速顶吹喷枪的损坏。预测喷枪中液态燃料受热沸腾时的两相流动、管道壁面产生沸腾危机时的温度分布和传热特性、以及沸腾时管道中的压降变化等对顶吹熔炼工艺的运行安全和过程控制至关重要,对喷枪结构设计具有指导意义。目前大多数有关有机介质流动沸腾的数值研究是针对低温流体或制冷剂进行的[1][2][3],关于常压下饱和温度较高的碳氢化合物的流动沸腾研究很少出现,关于竖直向下流动沸腾的研究更加罕见。这使得喷枪内流动沸腾的相关数据难以通过实验获取,也无法通过经验公式计算,但大量复杂沸腾工况的数值研究得益于欧拉–欧拉两流体模型与壁面热流密度划分模型的结合,本数值研究也同样在该框架下进行。虽然欧拉–欧拉两流体模型和壁面热流密度划分模型本身是本构的,但在其框架内进行流动沸腾模拟时,应用了较多的经验和半经验相关性才使方程得以求解。为了提升数值计算结果的精度,本研究首先对比了多组封闭模型在模拟有机工质R113过冷流动沸腾时的准确性和敏感性;然后将在过冷流动沸腾模拟中具有较好准确性的封闭模型用于正庚烷的饱和流动沸腾模拟,并进行验证;最后针对顶吹浸没喷枪工作时的传热特点,进行了外部辐射条件下竖直管内正庚烷过冷流动沸腾数值模拟。封闭模型对比部分的研究结果表明,采用k-ε湍流模型进行宏观管道内R113过冷流动沸腾模拟时,最适用的壁面函数为Non-Equilibrium壁面函数;最适用的相间作用力组合为:Universal曳力模型,Lopez de Bertodano湍流扩散力模型,无壁面润滑力,Moraga升力模型;最适用的相界面面积浓度模型和气泡直径相关性组合为:Symmetric IAC模型和Unal气泡直径相关性。上述封闭模型组合同样适用于模拟正庚烷在圆管中的饱和流动沸腾,将模拟结果与Chen[33]相关性的预测结果进行对比,所有的数据点偏差小于20%。在外部辐射条件下竖直管内正庚烷流动沸腾数值模拟部分,本研究针对顶吹浸没喷枪中液体的燃料的受热情况,对喷枪内正庚烷的流动沸腾进行了数值计算。预测了不同入口流速及不同壁面发射率下喷枪内的两相流动,分析了从单液相流动阶段到弥散流膜态沸腾阶段的传热及压降特性,以及含气率、干度、各相温度、各相流速、两相流非平衡性、壁面温度及壁面热流密度的分布规律。