《steel research international》：Numerical Study of Argon Bubble Transport and Entrapment in Continuous Casting Using a Multiphase Approach
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以下为论文摘要的专业中文翻译：
氩气注入常被用于连铸过程的初次冷却阶段，主要目的是去除钢液中的夹杂物并防止水口结瘤。然而，注入的氩气气泡可能被生长的枝晶捕获，最终在产品中形成针孔缺陷。本研究整合了多相流建模、拉格朗日气泡追踪以及气泡捕获判据，以评估工业连铸结晶
以下为论文摘要的专业中文翻译：
氩气注入常被用于连铸过程的初次冷却阶段，主要目的是去除钢液中的夹杂物并防止水口结瘤。然而，注入的氩气气泡可能被生长的枝晶捕获，最终在产品中形成针孔缺陷。本研究整合了多相流建模、拉格朗日气泡追踪以及气泡捕获判据，以评估工业连铸结晶器中气泡的输运、弯月面逸出及捕获行为。结果表明，小于0.4 mm的气泡更易渗入更深区域，而大于1 mm的气泡几乎完全从弯月面逸出。气泡逸出主要集中在距浸入式水口（SEN）结晶器宽度八分之一至四分之一之间的区域，而捕获则主要发生在弯月面以下200 mm范围内。研究进一步量化了氩气流量、拉速、浸入式水口浸入深度及滑板开度的影响，为优化氩气注入和减少气泡相关缺陷提供了指导。
以下是根据论文主体内容撰写的专业解读文章：
连续铸造中氩气泡输运与捕获的多相流数值研究解读
一、研究背景与意义
在连铸工艺的初次冷却阶段，向钢液中注入氩气是常用的技术手段，其主要目的在于去除钢液中的非金属夹杂物并防止浸入式水口（SEN）发生结瘤堵塞。然而，这一工艺也伴随着潜在风险：注入的氩气泡可能被凝固前沿生长的枝晶所捕获，进而滞留在铸坯中，最终在成品中形成针孔缺陷，严重影响产品质量。此外，不合理的氩气流量还可能扰动结晶器内的流场，导致凝固过程不稳定，并诱发弯月面处的渣滴卷混。尽管已有大量研究探讨了气泡的生成、尺寸分布及其输运行为，但多数工作或侧重于单一建模方法的开发，或仅考察单一操作参数的影响，缺乏对工业条件下气泡从注入、输运到捕获全过程的系统性评估。因此，开展一项整合多相流模拟、气泡轨迹追踪与捕获判据的综合研究，对于深入理解气泡行为机理、优化连铸工艺参数以及减少气泡相关缺陷具有重要的工程意义和学术价值。
二、研究内容与主要结论
本研究针对上述问题，以工业连铸结晶器为对象，系统性地评估了氩气泡在其中的输运、弯月面逸出与捕获行为。研究得出以下核心结论：气泡的捕获行为主要受三种机制控制，即曳力-浮力平衡、射流动量以及气泡在结晶器内的停留时间。研究识别出两个关键区域：一是弯月面以下200 mm范围内，该区域是气泡频繁捕获并可能形成表面针孔的高风险区；二是在多数操作条件下，弯月面上约四分之一结晶器宽度处，该处是气泡集中逸出并可能引发渣眼的位置。研究还发现，直径在0.4至1.0 mm范围内的气泡更容易被捕获，而大于1 mm的气泡几乎能全部从弯月面逸出。基于参数化研究，论文提出，适中的拉速（0.65–0.73 m/min）、较浅的浸入式水口浸入深度（约130 mm）、适中的氩气流量（7–10 L/min）以及部分开启的滑板，有利于在流动稳定性、气泡去除与缺陷减少之间取得平衡。
三、关键技术方法
为开展此项研究，研究人员采用了一套综合性的数值模拟方法。首先，使用基于欧拉-欧拉框架的三相流模型，结合VOF方法捕捉钢液、渣层与空气的自由界面，并采用可实现k-ε湍流模型描述结晶器内的湍流流动。其次，运用欧拉-拉格朗日方法对氩气泡进行追踪，将气泡视为离散粒子，并考虑其与液相的双向耦合作用。最后，采用一个三步式的气泡捕获判据，该判据综合比较了气泡尺寸与一次枝晶臂间距（PDAS），并评估了凝固前沿处的曳力、润滑力、范德华力及表面张力梯度力的平衡，以判定气泡是否被凝固壳捕获。研究基于某工业连铸机（由InterPro Pipe and Steel运营）的实际工况建立模型，并利用现场钉测数据及文献中的台阶加工实验数据对模型进行了验证。
四、研究结果分析
4.1 模型验证与确认：研究人员通过网格无关性（比较180万、530万与1000万网格）和时间步长无关性（比较0.0005、0.001与0.002 s）验证，确定了中等网格与0.001 s时间步长用于后续模拟。模型预测的弯月面高度与现场钉测数据平均偏差为4.9%，弯月面速度平均偏差为17%，整体趋势吻合良好。气泡捕获判据的预测结果与文献台阶加工实验数据对比，均方根误差为6.39个百分点，验证了模型可靠性。
4.2 结晶器流型与注入方式比较：研究揭示了结晶器内典型的双环流流型，射流冲击窄面后分流，形成上、下两个回流区。通过对比点注入与壁面注入两种氩气注入方式，发现两者在气泡分布、弯月面速度（差异3.67%）及捕获率上结果相近，表明简化的点注入假设在节省计算成本的同时仍能有效捕捉主要流动与气泡行为特征。
4.3 气泡尺寸的影响：研究系统模拟了0.05至1.0 mm不同直径的气泡。结果表明，小气泡（<0.4 mm）受曳力支配，易随流场循环深入结晶器下部，捕获率高；大气泡（>1 mm）浮力占优，快速上浮，逸出率接近100%。通过引入无量纲浮力参数B*，研究阐明了气泡尺寸对输运行为的支配机理。气泡逸出主要集中在距水口八分之一至四分之一结晶器宽度区域，捕获则主要发生在弯月面以下100 mm内。
4.4 浇铸操作条件的影响：提高拉速会增强射流动量，使气泡更易被携带至深部区域，导致捕获率上升（0.65 m/min时19.7%增至0.80 m/min时23.4%），逸出率下降。增加氩气流量（从4增至10 L/min）虽然引入了更多气泡，但其浮力消耗射流能量，反而使弯月面逸出率从72.2%提升至77.8%。
4.5 浸入式水口浸入深度的影响：增加浸入深度会扩大上部回流区，延长气泡停留时间（从130 mm时的3.9 s增至300 mm时的5.4 s），从而增加气泡与凝固前沿的接触机会，导致捕获率上升（130 mm时21.3%增至300 mm时27.0%）。
4.6 滑板开度的影响：与全开（100%）相比，部分开启（80%）滑板虽仅使结晶器内平均流速小幅增加（<7%），但显著增强了局部湍动能（在Z=1.26 m处增加约19倍），促进了气泡在水口内的横向分散，使射流上移，有利于气泡向弯月面输运，从而将总捕获率从30.0%降至22.2%。
五、综合讨论与结论
综合讨论部分指出，气泡捕获受曳力-浮力平衡、射流动量分布和停留时间三种机制共同支配。研究还拟合了最大捕获位置与最大逸出位置的经验关联式，为预测关键区域提供了简化工具。研究结论部分总结：气泡捕获主要由三种机制控制；识别出弯月面以下200 mm内和四分之一结晶器宽度处两个关键区域；0.4–1.0 mm气泡最易被捕获，而适中的拉速、浅浸入深度、中等氩气流量和部分滑板开度有利于优化工艺。该研究为实际连铸工艺优化提供了操作窗口，但同时也指出模型未考虑气泡破裂与聚并、等温假设等局限性，未来工作将进一步完善这些方面。
