CN117688819B - 一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳‑氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统，涉及钢铁冶金领域。包括：获取转炉结构参数，构建转炉三维几何模型；对几何模型进行网格划分；设定模型基本假设，选择计算模型，设定物性参数、边界条件以及求解算法，进行初始化操作和迭代计算，得到复吹条件下熔池流场；获取转炉烟气信息，求解熔池碳‑氧反应比例，计算得到熔池液相部分碳‑氧反应气泡量；构建碳‑氧反应气泡生成点，注入碳‑氧反应气泡，对碳‑氧反应气泡在渣‑金界面行为进行编译；耦合计算得到碳‑氧反应作用下炼钢转炉熔池模拟结果，后处理得到不同吹炼时刻碳‑氧反应作用下熔池流场图。本发明方法能够分析不同冶炼时刻碳‑氧反应作用下的熔池流场。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，尤其涉及一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统。
背景技术
转炉炼钢法是当前世界上最主要的炼钢方法，顶吹供氧和底吹惰性气体是复吹转炉冶炼的主要工艺方式。冶炼过程中驱动熔池搅拌和流动的能量来源分为三个方面：顶吹超音速氧气射流、底吹惰性气泡羽流以及熔池内部碳-氧反应生成的CO气泡群流。其中，顶吹超音速氧气射流有利于熔池气-渣-金的乳化，促进脱磷和脱碳反应，极大地影响冶炼过程各种复杂现象的发生；底吹惰性气泡羽流有利于熔池的搅拌和混匀，提升熔池的动力学条件；碳-氧反应生成的CO气泡群流动在不同冶炼时期对熔池形成不同程度的搅拌与混匀作用。明晰上述三种能量源作用下的转炉熔池流场变化规律对于转炉反应器的设计以及高效稳定地运行至关重要。
现有技术中，炼钢转炉冶炼过程中碳-氧反应呈现出典型的三阶段模式，脱碳速率呈先升高后平稳最后降低的趋势，整个过程碳含量逐渐降低，在不同吹炼阶段，熔池内部碳-氧反应生成的气泡对熔池有着复杂的搅拌影响，此外，顶吹氧枪枪位、流量以及底吹流量会随时间而变化。然而，目前现有的技术大多集中于针对顶吹、底吹以及顶底复合吹炼作用下的熔池流场进行研究，有关碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场的行为特征尚缺乏研究。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统，用于克服目前该领域研究中存在的缺陷。
本发明的技术方案如下：
一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；
步骤S2：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；
步骤S3：将所述转炉网格模型导入仿真软件（具体可以采用ANSYS Fluent仿真软件），设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；
步骤S4：获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例（具体可以通过FactSage软件计算得到），得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；
步骤S5：建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译（具体可以调用UDF程序进行编译），得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；
步骤S6：将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与步骤S3得到的顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；
步骤S7：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。
进一步地，所述步骤S2中，将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理的过程中，对氧枪拉瓦尔喷头区域、底部元件区域以及气-渣-金界面区域进行局部网格加密处理，所述加密处理具体为：计算域采用六面体结构化网格划分，整体网格质量大于0.5，网格数量大于50万。
进一步地，所述步骤S1中，所述结构参数包括转炉炉体的结构参数、氧枪拉瓦尔喷头的结构参数和底部元件的结构参数；所述进行合理简化的方法为：
对于转炉炉体，简化后的考虑因素包括炉膛内部几何形状、熔池钢液区域及熔池钢液区域上部700-2000 mm范围处的炉渣和气相区域；
对于氧枪拉瓦尔喷头，简化后的考虑因素包括收缩段、喉口以及扩张段内部区域；
将底部元件简化成圆孔形状。
进一步地，所述步骤S3中，所述设定模型求解的基本假设包括：
（1）氧气为可压缩牛顿流体；氩气、钢液和炉渣为不可压缩牛顿流体；
（2）氧气满足粘性萨瑟兰定律，其它流体的物性参数保持恒定。
进一步地，所述步骤S3中，所述选择计算模型，具体为：
选择VOF多相流模型对气-渣-金界面进行求解，选择DPM离散相模型对底吹氩气泡进行求解，选择能量守恒方程对高温熔池内部传热行为进行求解，选择标准k-ε湍流模型对熔池流场进行求解。
进一步地，所述步骤S3中，所述设定物性参数包括：设定氧气和氩气的物性参数值为300 K温度条件下所对应的物性参数值，炉渣和钢液的物性参数值为1873 K温度条件下所对应的物性参数值；
所述设定边界条件时包括：顶吹入口采用Profile边界条件，氧气相体积分数为1，顶吹入口温度为300 K；顶面出口采用压力出口边界条件，顶面出口温度为1873 K；底吹入口采用壁面边界条件同时DPM选项处的边界采用escape类型，氩气相体积分数为1，氩气的注入温度为300 K；转炉炉体除了顶吹入口、顶面出口、底吹入口的其余部位采用壁面边界条件，并将所述其余部位设定为绝热壁面；
所述步骤S3中，所述设定求解算法包括：压力-速度耦合采用PISO算法，压力插值采用PRESTO!算法，自由界面插值采用Geo-Reconstruct算法，控制方程对流项的离散使用二阶迎风格式。其中，PRESTO!算法（PREssure STaggering Option，PRESTO!）为交错压力算法，用于对压力项进行离散，以使压力更好地同时满足动量方程和连续性方程；PRESTO!算法是fluent软件中一个常规选项，为常规技术。
进一步地，所述步骤S3中，所述进行初始化操作包括：采用混合初始化方式对计算域进行初始化操作，同时通过Patch功能将计算域中钢液区域、炉渣区域以及氧气区域所对应的相体积分数设置为1。
进一步地，所述步骤S4，具体包括：
步骤S41，获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，所述烟气信息数据包括不同冶炼时刻转炉烟气总流量、CO和CO2体积比例，采用公式（1）和（2）计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，公式如下：
（1）
式（1）中，为脱碳速率，单位为：%·s-1；Qgas为转炉烟气总流量，单位为：Nm3·s-1；φ (CO+ CO2)为CO和CO2的体积比例，单位为：%；Wsteel为钢液质量，单位为：t；
（2）
式（2）中，GCO为熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，单位为：kg·s-1；
步骤S42，通过FactSage软件中Multiple Interconnected Equilibrium和Adiabatic Stoichiometric Reactor方法结合Macro programming功能计算得到不同冶炼时刻转炉熔池液相部分碳-氧反应比例λ；
步骤S43，采用公式（3）计算得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量，公式如下：
QCO=λ·GCO（3）
式（3）中，QCO为熔池液相部分碳-氧反应气泡量，单位为：kg·s-1。
进一步地，所述步骤S5，具体包括：
步骤S51：通过ANSYS Fluent中的Bounded和Sample Points功能建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，保证熔池上部碳-氧反应气泡生成点数量高于熔池下部区域；
步骤S52：UDF程序中调用DEFINE_DPM_SCALAR_UPDATE宏，当熔池液相碳-氧反应气泡上升到渣-金界面相体积分数为0.5的区域时，气泡被自动去除。
一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真系统，包括：
转炉三维几何模型构建模块：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；
结构化网格划分模块：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；
顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟仿真模块：
用于将所述转炉网格模型导入仿真软件，设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例，得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译，得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；以及，将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与得到的所述顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；
后处理模块：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，通过考虑熔池液相部分碳-氧反应生成的CO气泡上浮行为，模拟了转炉冶炼过程中三种能量源：顶吹超音速氧气射流、底吹惰性气泡羽流以及熔池内部碳-氧反应生成的CO气泡群流作用下的熔池流场，所得模拟结果更加符合实际转炉熔池内部流动行为，可以获得碳-氧反应作用下熔池动力学特性的变化规律，上述结果对于实际转炉的设计优化、底吹工艺的优化、吹炼制度的优化以及转炉高效稳定的生产具有重要的指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被当作是对本发明范围的限定。
图1为本发明实施例中碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法流程图；
图2为本发明实施例中转炉三维几何模型；
图3为本发明实施例中转炉网格模型；
图4为本发明实施例中顶底复合吹炼条件下转炉熔池流场；
图5为本发明实施例中转炉烟气流量、CO和CO2气体比例随时间变化图；
图6为本发明实施例中熔池液相和气相部分碳-氧反应气泡量随时间变化图；
图7为本发明实施例中熔池液相部分碳-氧反应比例随时间变化图；
图8为本发明实施例中熔池内部碳-氧反应气泡生成点图；
图9为本发明实施例中碳-氧反应作用下冶炼时刻为100 s、200 s、400 s、700 s时的炼钢转炉熔池流场图；
图10为本发明实施例中模型准确性验证图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤S1：根据某炼钢厂提供的100吨转炉炉体及其配套的4孔氧枪拉瓦尔喷头和底部元件设计图纸，使用SolidWorks软件构建了转炉炉膛内部包括钢液区域及其上部800 mm范围的区域，氧枪拉瓦尔喷头只考虑了收缩段、喉口以及扩张段内部区域，底部元件简化成了圆孔形状的转炉三维几何模型，如图2所示，保存为.STEP格式文件；
步骤S2：将格式为.STEP的转炉三维几何模型导入ICEM软件中，首先对每个面进行命名，然后进行Edge关联和O-Block划分处理，如图3所示，在氧枪拉瓦尔喷头区域、底部元件区域以及气-渣-金界面区域通过增加节点数量的方式进行了网格加密处理，整个模型的网格质量为0.55，网格数量为100万，保存为.msh格式文件;
步骤S3：将.msh格式的转炉网格模型文件导入ANSYS Fluent软件中，其中，模型求解的基本假设包括：
（1）氧气为可压缩牛顿流体；氩气、钢液和炉渣为不可压缩牛顿流体；
（2）氧气满足粘性萨瑟兰定律，其它流体物性参数保持恒定。
根据模型内部流场行为的具体情况，选择VOF多相流模型对气-渣-金界面进行求解，选择DPM离散相模型对底吹氩气泡进行求解，开启能量守恒方程对高温熔池内部传热行为进行求解，选择标准k-ε湍流模型对熔池流场进行求解。
设定物性参数，其中，氧气为主项，温度为300 K，密度为可压缩，比热容为919.31J·kg-1·K-1，导热系数为0.0246 W·m-1·K-1，粘度符合萨瑟兰定律；钢液为第二相，温度为1873 K，密度为7100 kg·m-3，比热容为670 J·kg-1·K-1，导热系数为40 W·m-1·K-1，粘度为0.0065 kg·m-1·s-1；炉渣为第三项，温度为1873 K，密度为3500 kg·m-3，比热容为1200J·kg-1·K-1，导热系数为1.7 W·m-1·K-1，粘度为0.1 kg·m-1·s-1；氩气为DPM离散相，温度为300 K，密度为1.6228 kg·m-3，比热容为520.64 J·kg-1·K-1；
设定边界条件，顶吹入口采用profile边界条件，氧气相体积分数为1，温度为300K；顶面出口采用压力出口边界条件，温度为1873 K；底吹入口采用壁面边界条件同时DPM采用escape类型，氩气相体积分数为1，温度为300 K；其余部位采用壁面边界条件，并设定为绝热壁面；
设定求解算法，压力-速度耦合采用PISO算法，压力插值采用PRESTO!算法，自由界面插值采用Geo-Reconstruct算法，控制方程对流项的离散使用二阶迎风格式；
进行初始化操作，采用混合初始化方式对计算域进行初始化操作，同时通过Patch功能将计算域中钢液区域、炉渣区域以及氧气区域所对应的相体积分数设置为1；进行迭代计算，时间步长采取自适应模型；每0.1 s时间间隔对计算结果进行保存，并导出.cas和.dat格式的文件，如图4所示，文件通过Fluent自带的后处理功能得到顶底复合吹炼条件下的转炉熔池流场；
步骤S4：针对100吨转炉生产过程，通过原位式激光分析仪获取转炉冶炼周期内烟气流量、CO和CO2气体的体积比例，如图5所示；根据公式（1）和（2）计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，如图6所示；结合100吨转炉实际冶炼过程操作特征，通过FactSage软件中Multiple Interconnected Equilibrium和AdiabaticStoichiometric Reactor方法结合Macro programming功能计算得到不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例λ，如图7所示；最后通过公式（3）计算得到不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应气泡量；
（1）
式（1）中为脱碳速率，%·s-1；Qgas为转炉烟气总流量，Nm3·s-1；φ (CO)和φ
(CO2)为CO和CO2的气体体积比例，%；Wsteel为钢液质量，t；
（2）
式（2）中GCO为熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，kg·s-1。
QCO=λ·GCO（3）
式（3）中QCO为熔池液相部分碳-氧反应气泡量kg·s-1。
步骤S5：在步骤S3的结果模型中，通过Bounded和Sample Points功能建立了熔池内部碳-氧反应气泡生成点，如图8所示；而后选择特征冶炼时刻为100 s、200 s、400 s、700s时熔池液相部分碳-氧反应气泡流量通过DPM模型将其作为输入流量进行注入；开启UDF程序，调用DEFINE_DPM_SCALAR_UPDATE宏功能，使熔池液相碳-氧反应气泡上升到渣-金界面相体积分数为0.5区域时，气泡被自动去除；
步骤S6：将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与步骤S3得到的顶底复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，计算时间步长采用自适应模型，每0.1 s时间间隔对模拟计算结果进行保存，并导出.cas和.dat格式的文件；
步骤S7：将步骤S6计算得到的.cas和.dat格式的文件导入Tecplot软件进行后处理操作，提取纵截面，得到冶炼时刻为100 s、200 s、400 s、700 s时的碳-氧反应作用下的转炉熔池流场，如图9所示，并将图片导出.GIF格式的文件。
本发明还提供一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真系统实施例，包括：
转炉三维几何模型构建模块：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；
结构化网格划分模块：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；
顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟仿真模块：用于将所述转炉网格模型导入仿真软件，设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例，得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译，得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；以及，将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与得到的所述顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；
后处理模块：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。
为了确保本发明所建立模型的准确性，依据本实施例所得到的模拟结果首先与水力学实验所得到的混匀时间进行了比较，混匀时间是表征转炉熔池流动与混匀效果的特征参数，如图10所示，顶吹、底吹以及复吹工况条件下，模拟结果与实验结果的误差在8.05%-15.86%范围内；此外，纯顶吹工况下，熔池动能WTop为1552 J，在考虑冶炼中期400 s时熔池碳-氧反应所产生的CO气泡时，熔池动能WTop+CO为7351 J，WTop/WTop+CO=21.1%，根据陈家祥在《钢铁冶金学》一书中报道，针对100-200 t转炉而言，通过理论计算WTop/WTop+CO处于19.8~24.3%范围内，这与本实施例得到的模拟结果吻合良好。综上而言，本发明所建立的模型是准确且更加贴近于实际生产情况。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；
步骤S2：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；
步骤S3：将所述转炉网格模型导入仿真软件，设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；
步骤S4：获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例，得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；
步骤S5：建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译，得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；
步骤S6：将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与步骤S3得到的顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；
步骤S7：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。
2.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理的过程中，对氧枪拉瓦尔喷头区域、底部元件区域以及气-渣-金界面区域进行局部网格加密处理，所述加密处理具体为：计算域采用六面体结构化网格划分，整体网格质量大于0.5，网格数量大于50万。
3.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述结构参数包括转炉炉体的结构参数、氧枪拉瓦尔喷头的结构参数和底部元件的结构参数；所述进行合理简化的方法为：
对于转炉炉体，简化后的考虑因素包括炉膛内部几何形状、熔池钢液区域及熔池钢液区域上部700-2000 mm范围处的炉渣和气相区域；
对于氧枪拉瓦尔喷头，简化后的考虑因素包括收缩段、喉口以及扩张段内部区域；
将底部元件简化成圆孔形状。
4.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述设定模型求解的基本假设包括：
（1）氧气为可压缩牛顿流体；氩气、钢液和炉渣为不可压缩牛顿流体；
（2）氧气满足粘性萨瑟兰定律，其它流体的物性参数保持恒定。
5.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述选择计算模型，具体为：
选择VOF多相流模型对气-渣-金界面进行求解，选择DPM离散相模型对底吹氩气泡进行求解，选择能量守恒方程对高温熔池内部传热行为进行求解，选择标准k-ε湍流模型对熔池流场进行求解。
6.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述设定物性参数包括：设定氧气和氩气的物性参数值为300 K温度条件下所对应的物性参数值，炉渣和钢液的物性参数值为1873 K温度条件下所对应的物性参数值；
所述设定边界条件时包括：顶吹入口采用Profile边界条件，氧气相体积分数为1，顶吹入口温度为300 K；顶面出口采用压力出口边界条件，顶面出口温度为1873 K；底吹入口采用壁面边界条件同时DPM选项处的边界采用escape类型，氩气相体积分数为1，氩气的注入温度为300 K；转炉炉体除了顶吹入口、顶面出口、底吹入口的其余部位采用壁面边界条件，并将所述其余部位设定为绝热壁面；
所述步骤S3中，所述设定求解算法包括：压力-速度耦合采用PISO算法，压力插值采用PRESTO!算法，自由界面插值采用Geo-Reconstruct算法，控制方程对流项的离散使用二阶迎风格式；其中PRESTO!算法为交错压力算法，用于对压力项进行离散。
7.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述进行初始化操作包括：采用混合初始化方式对计算域进行初始化操作，同时通过Patch功能将计算域中钢液区域、炉渣区域以及氧气区域所对应的相体积分数设置为1。
8.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S4，具体包括：
步骤S41，获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，所述烟气信息数据包括不同冶炼时刻转炉烟气总流量、CO和CO2体积比例，采用公式（1）和（2）计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，公式如下：
（1）
式（1）中，为脱碳速率，单位为：%·s-1；Qgas为转炉烟气总流量，单位为：Nm3·s-1；φ(CO+ CO2)为CO和CO2的体积比例，单位为：%；Wsteel为钢液质量，单位为：t；
（2）
式（2）中，GCO为熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，单位为：kg·s-1；
步骤S42，通过FactSage软件中Multiple Interconnected Equilibrium和AdiabaticStoichiometric Reactor方法结合Macro programming功能计算得到不同冶炼时刻转炉熔池液相部分碳-氧反应比例λ；
步骤S43，采用公式（3）计算得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量，公式如下：
QCO=λ·GCO（3）
式（3）中，QCO为熔池液相部分碳-氧反应气泡量，单位为：kg·s-1。
9.根据权利要求1所述一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，其特征在于，所述步骤S5，具体包括：
步骤S51：通过ANSYS Fluent中的Bounded和Sample Points功能建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，保证熔池上部碳-氧反应气泡生成点数量高于熔池下部区域；
步骤S52：UDF程序中调用DEFINE_DPM_SCALAR_UPDATE宏，当熔池液相碳-氧反应气泡上升到渣-金界面相体积分数为0.5的区域时，气泡被自动去除。
10.一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真系统，其特征在于，包括：
转炉三维几何模型构建模块：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；
结构化网格划分模块：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；
顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟仿真模块：用于将所述转炉网格模型导入仿真软件，设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例，得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译，得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；以及，将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与得到的所述顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；
后处理模块：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。
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