轉(zhuǎn)爐頂吹噴槍一般采用可將壓力能轉(zhuǎn)換成高效率動(dòng)能的拉瓦爾噴嘴。由拉瓦爾噴嘴的尺寸決定適當(dāng)?shù)鸟R赫數(shù)，適當(dāng)?shù)膲毫土髁?，通常在其適當(dāng)條件下操作。另一方面，由于沖擊波和膨脹波的發(fā)生，能量的損失變大，將此稱為不適當(dāng)膨脹。以下將介紹包括不適當(dāng)膨脹時(shí)的單孔噴嘴的射流行為。

在冷態(tài)下，使用同一喉口徑、五種不同出口徑的單孔噴嘴，變更噴嘴入口壓（流量），用皮托管檢測(cè)了射流的流速分布。此外，對(duì)射流擴(kuò)散的評(píng)價(jià)，測(cè)量?jī)x器的測(cè)量下限值是5.7m/s，所以采用了該下限值以上的流速范圍。使用CFD商用軟件的二維軸對(duì)稱模型，入口及出口的邊界條件使用質(zhì)量流入條件、壓力流出條件。氣相側(cè)使用空氣的物性值，考慮了壓縮性。

比較了直線噴嘴和拉瓦爾噴嘴在入口操作壓P0時(shí)的射流中心軸向流速（馬赫數(shù)）的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩種噴嘴中，均發(fā)現(xiàn)了隨著操作壓的增加流速也增加，但在適當(dāng)壓力下當(dāng)流速達(dá)到峰值后存在一個(gè)流速基本不變的區(qū)域，其后流速再次增加。認(rèn)為在操作壓增加、但流速不增加的區(qū)域，不適當(dāng)膨脹導(dǎo)致的能量損失與壓力能的增加相抵消。

因此，將噴嘴入口的操作壓與適當(dāng)壓之比P0/P0P定義為不適當(dāng)度，整理各噴嘴的中心軸向流速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，射流中心軸向流速與距噴嘴的距離成反比衰減。所以，將流速與音速相等（馬赫數(shù)=1）的位置設(shè)為射流中心長(zhǎng)度Hc，任意中心軸位置的流速（馬赫數(shù)M）用公式（1）表示。因此，縱坐標(biāo)取射流中心長(zhǎng)度與適當(dāng)膨脹時(shí)的射流中心長(zhǎng)之比Hc/Hcp，代表中心軸向流速。此外，適當(dāng)膨脹時(shí)的射流中心長(zhǎng)度用公式（2）表示。應(yīng)用該結(jié)果，可以進(jìn)行積極利用不適當(dāng)膨脹的射流的軟吹。

關(guān)于中心軸向流速，比較了各種紊流模型的CFD計(jì)算值和測(cè)量值，從計(jì)算精度和計(jì)算成本的觀點(diǎn)出發(fā)，決定采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。中心軸向流速的CFD計(jì)算值和測(cè)量值的比較示于圖1。流速與距噴嘴出口的距離基本成反比衰減，計(jì)算值和測(cè)量值的傾向大體一致。但是，流量增加時(shí)的流速增加的程度有差異。在此，適當(dāng)膨脹時(shí)的適當(dāng)流量使用52Nm3/h的噴嘴，流量在50Nm3/h時(shí)基本適當(dāng)膨脹，在25.0Nm3/h和37.5Nm3/h時(shí)為過度膨脹。但與測(cè)量值相比，計(jì)算值在適當(dāng)膨脹時(shí)低，在過度膨脹時(shí)則過高。即在CFD解析中目前還無法重現(xiàn)不適當(dāng)膨脹時(shí)的行為。

如上所述，轉(zhuǎn)爐頂吹噴槍使射流分散，抑制噴濺和粉塵的發(fā)生，一般采用可以用高速供氧的多孔噴嘴。但是，如果多孔噴嘴的射流發(fā)生相互交匯，就不能獲得上述的軟吹效果。以下將介紹對(duì)多孔噴嘴的射流行為進(jìn)行的試驗(yàn)及CFD解析。

試驗(yàn)方法與上述相同。表1是多孔噴嘴的規(guī)格。各噴嘴喉口部的總斷面面積，喉口徑與出口徑之比相等。對(duì)多孔噴頭噴流進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用商業(yè)軟件的三維模型，對(duì)孔數(shù)為n孔的噴嘴，在噴嘴圓周方向分割為1/2n的區(qū)域制作網(wǎng)格，將分割面作為對(duì)稱邊界條件進(jìn)行解析。

橫坐標(biāo)是垂直于噴嘴中心軸的徑向距離，縱坐標(biāo)是軸向流速，比較了4孔14度和8孔14度噴嘴的流速分布。單孔噴嘴時(shí)，噴嘴直徑越小，射流越容易衰減，流速降低。多孔噴嘴時(shí)，孔數(shù)增加，即使各個(gè)噴嘴的直徑小，多個(gè)射流相互交匯，也會(huì)抑制射流衰減，流速自然變高。圖3中還示出了CFD計(jì)算值，但還是無法基本再現(xiàn)上述的射流的交匯現(xiàn)象。此外，是對(duì)中心軸向流速和噴流徑的測(cè)量值和CFD計(jì)算值的比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論噴嘴的種類，兩者結(jié)果基本一致，可見CFD解析方法是可靠的。