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製鋼プロセスにおける精錬反応容器内の現象は,転炉や RH真空脱ガス装置(Ruhrstahl-Hausen:RH)に代表される ように,反応を伴う複雑な非定常混相流れ下にある。これ ら装置の形状や操業の最適化を行うには,反応炉内の現象 を的確に把握する必要があり,精錬反応容器の反応操作に おいて多く用いられる液面へのガスジェット吹きつけ時の 液面のキャビティの形成や液滴の飛散,あるいは底部から 液体中へのガス吹き込み時の気泡分散や液体の撹拌等の混 相流現象の定量的な把握が重要となる。特に重要と思われ る液面へのガスジェットの吹きつけ時の流体力学的な挙動 に関しては,多くの模型実験 が行われ,時間的に平均 化された液面のキャビティの深さや径の情報が利用できる 状況にある。例えば,Ishikawaら は,単孔および3孔のス トレートノズルを用いて水-窒素系の模型実験を行い,液 面のキャビティの深さの相関式を導出するとともに試験転 炉や商用転炉での推算式も提案している。また,Tanaka and Okaneは単孔のストレートノズルによる水-空気系の実験 を基にBanks and Chandrasekharaの提案した液面のキャビ ティの深さを推定する半理論式が適用できることを示した。 さらに液面のキャビティの径や液体へのガスジェットの運 動量の伝達についても解析を行い,推定式を提案している。 一方,近年の電子計算機のハードウェアと数値流体力学 (Computational Fluid Dynamics:CFD)の技術的な進歩は著 しく,気液2相流のような複雑な現象を定量的に解析でき る状況になりつつあり,全ての炉内反応を考慮するまでに は至らないが,転炉を対象とした混相流解析が報告 さ れている。Asaharaら は,単孔および多孔ノズルの噴流 挙動について時間平均の乱流モデルを用いた解析結果が実 験結果を概ね説明できることを確認している。さらに,気 液2相流の解析モデルとしてVOF法(Volume of Fluid)を 用いて液面のキャビティの深さを予測したが,実験結果よ り浅くなり今後に課題を残している。また,Odenthalら 11) は,時間平均の乱流モデルとスラグ相を考慮した気-液液3相のVOF法,および底部からの底吹きガスには分散相 モデル(Discrete Phase Model:DPM)を用いて,実転炉を 極めて忠実に再現した解析を行い,ラバールノズルからの 超音速ジェット,多孔ノズルが形成する液面のキャビティ の形状やスラグ-メタル相の流動・撹拌挙動等を捉えよう 水モデル実験による上吹きジェットにより形成された 液面キャビティの動的挙動

Dynamic Behavior of Cavity Formed by a Top-blown Jet on Liquid Surface: Water Model Experiment