I. 物理模型設計：實驗采用幾何比例1:5的水模裝置模擬實際中間包，工況介質為去離子水，示蹤粒子選用空心玻璃微珠（粒徑約50μm），密度接近水。氣體由微型流量計控制，經壁面小孔注入，模擬工業(yè)氬氣吹掃過程。

II. 流場測量設備（見圖1）：采用中科君達視界提供的千眼狼高速攝像機，分辨率1920×1080 @2000fps，用于捕捉示蹤粒子運動軌跡；連續(xù)波激光器，波長532 nm，功率10 W,用于產生1 mm厚度，發(fā)散角15°的片光源；千眼狼自研流場測量PIV軟件RFlow，用于提取相鄰幀中粒子的位移分量，計算速度矢量分布，生產流場速度矢量圖。

圖1

本研究以“空中間包（N方案）、右側壁吹氣（R1方案）、前側壁吹氣（F2方案）“為核心驗證對象，通過粒子圖像測速PIV系統(tǒng)實測數據與CFD模擬結果對比，驗證數值模型的可靠性，詳細步驟如下：

I. 穩(wěn)定水模型、標定并添加示蹤粒子

將水模型內水流調節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，隨后引入與水密度接近的示蹤粒子，在靜態(tài)水中進行網格標定，確定視場范圍與坐標系對應關系。開啟水泵與氣體供應，待流動穩(wěn)定。

II. 進行PIV流場測量

啟動532 nm激光片光源，照亮中間包中部測量區(qū)域，同步開啟高速攝像機，以400 fps 幀率連續(xù)拍攝3 s，獲取示蹤粒子的運動圖像序列，再使用千眼狼PIV軟件對圖像進行跨幀分析，提取粒子位移數據計算并生成流場矢量圖。

3.3 模型驗證對比

基于水模型幾何參數建立CFD模型，采用歐拉-歐拉法模擬氣液兩相流，連續(xù)相（水）湍流模型為 realizable k-ε 兩層模型（RKE-2L），離散相（空氣）采用 Issa 湍流響應模型；將PIV測量速度場與CFD模擬結果進行定量對比，重點驗證不同吹氣N（空中間包）、R1（右側壁吹氣）、F2（前側壁吹氣）三個關鍵方案下渦旋結構、速度分布的一致性。

粒子圖像相關PIV儀器價值體現(xiàn)在為CFD模型提供實測基準，從渦結構、流速分布、流態(tài)一致性三個維度驗證CFD模型。

I. N方案（空中間包，即無吹氣基準工況）

此方案為基礎流場的驗證。PIV測量結果顯示，在速度矢量圖中間包中部存在兩個逆時針渦，CFD模擬得到的速度矢量分布與PIV測量結果高度吻合—兩個逆時針渦的位置，且渦區(qū)內速度幅值與PIV測量值高度一致，表明基礎模型能準確反映裸包內的主流形態(tài)，詳見圖2。

圖2

II. R1方案（即右側壁吹氣工況）

此方案為局部渦結構的驗證。PIV測量結果顯示，右側壁吹氣后，誘導出一個貫穿中部區(qū)域的大型逆時針主渦，氣體上升流帶動周圍液體形成環(huán)流結構。PIV系統(tǒng)測得主渦中心區(qū)域速度與CFD預測值偏差小于8%。速度方向與強度的空間分布一致性良好，驗證了CFD模型能夠精確捕捉“側壁吹氣對渦結構的重構作用”，包括渦的數量、位置及局部流速變化，可用于分析右側壁吹氣對局部流場的優(yōu)化效果，詳見圖3。

圖3

III. F2方案（即前側壁吹氣方案）

此方案為復雜流態(tài)的驗證。PIV測量結果顯示，前側壁吹氣后，流場呈現(xiàn)反向雙渦結構，靠近保護罩側為逆時針渦，靠近出口側為順時針渦，兩個渦的間距較N方案更小，對稱分布于氣柱兩側。CFD模擬的反向雙渦結構與PIV測量完全一致，渦的旋轉方向、間距均被準確復現(xiàn)，保護罩側渦內流速計算值與PIV實測值誤差＜2%，出口側渦的流速偏差＜3%，表明CFD模型能精準模擬“前側壁吹氣形成的復雜螺旋渦”，為全流場優(yōu)化分析提供了可靠的數值工具，詳見圖4。

圖4

I. PIV測量數據為CFD模型提供關鍵驗證：通過對N、R1、F2三種方案的速度矢量進行直接對比，證實當前CFD模型能夠真實反映不同吹氣方式下的渦旋結構、速度分布及流動方向，平均速度誤差控制在10%以內。

II. F1方案為最優(yōu)方案：PIV-CFD協(xié)同分析表明，流場形成的大螺旋渦能攪拌全中間包流體，死區(qū)體積僅39.68%，且表面流增強，利于夾雜物上??；相比右側壁吹氣，流場均勻性更優(yōu)，同時規(guī)避高流量和高位吹氣導致的卷渣風險。

在潔凈鋼生產工藝中，利用可視化PIV技術解決了“高溫鋼水流場無法直接觀測”的難題。通過PIV測量與CFD模型的協(xié)同，解析中間包側壁吹氣的流場調控機制，助力工藝人員篩選出最優(yōu)工藝方案，為潔凈鋼中間包流場優(yōu)化提供了可復制的技術路徑。