在许多工业、工程领域经常会遇到气体射流冲击到液相表面的情况,如BOF和EAF炼钢、VOD精炼、铜转炉冶炼、内燃机工程等。在氧气炼钢过程中,高压氧气被转换成超音速气体射流并喷射到金属熔池,射流的动力学行为在供氧、造渣等重要单元功能上扮演着极其重要的角色,控制了整个反应器的性能,而射流与熔池的交互作用是引起转炉内诸如喷溅、搅拌、振荡等复杂物理现象的根源,影响冶炼过程的质量、动量及热量传输。然而,由于过程的高温、高速等严酷环境特点,目前对于氧枪射流行为及其与熔池的交互过程现象还缺乏深入的理解。本文基于计算流体动力学（CFD）和相似原理指导下的冷态模拟对超音速氧枪射流行为及其与熔池的交互过程现象进行了系统的研究。联合standard k-ε湍流模型,建立了转炉可压缩氧气射流的二维轴对称CFD模型,研究了设计和非设计工况下氧射流的流动行为,分析了射流激波的形成和形态,通过回归分析得到了射流核心长度与操作变量的定量关系。基于建立的可压缩、非等温、三维CFD模型研,研究了多喷孔氧枪射流的动力学特性和聚并机理,考察了环境温度、喷孔设计、操作参数的影响,尤其是定量分析了不同操作参数下射流运动过程的能量演化规律,并归一化表征了射流各流股中心线速度的衰减规律。结果表明:（1）环境温度或操作压力的提高、喷孔数量或喷孔倾角的减小均延缓了射流中心速度和动压力的衰减;（2）射流聚并随环境温度的下降、喷孔数量的增大、喷孔倾角的减小而加强,但不受操作压力的影响。对于4孔氧枪各流股间不发生干扰的临界喷孔倾角为25°;（3）根据射流动力学参数分布及其流动轨迹可预测射流对熔池的冲击形态和熔池喷溅方式;（4）相比于膨胀波,射流激波的产生导致更大的能量损失,射流大部分冲击动能在流动沿途损耗;（5）湍动能和湍流耗散率流率随着射流的流动先增大后减小,基于此,提出了不同操作压力下转炉化渣和溅渣的理论最优化操作枪位:1.1-1.2m（0.8Po）,1.2-1.3 m（P0）,1.4-1.5 m（1.2Po）。建立了 150吨顶吹转炉1/10缩比例的水模型,研究了顶吹射流对熔池冲击过程引起的诸如冲击坑尺寸、形态和熔池振荡现象,考察了操作参数、喷孔角度和渣层厚度的影响,并根据熔池振荡特点预测了炉壁物理侵蚀规律,结果表明转炉冶炼初期炉壁的局部侵蚀最为严重。此外,基于理论分析探讨了液相表面张力对穿透深度的影响,结果表明本实验条件下忽略液相表面张力的影响时基于传统理论模型预测的冲击坑深度误差可达12%,故用水模结果预测实际转炉将导致明显的误差。鉴于此,通过引入射流能量利用指数并包含液相表面张力提出了一个改进的可应用于多相液体熔池的冲击坑深度理论预测模型。建立了可压缩、非等温、三维多相VOF模型,研究了 150吨顶吹转炉射流与熔池交互过程的特征物理现象,探究了吹炼过程气-渣-金界面轮廓变化、揭示了液滴喷溅形成机理、定量分析了射流与熔池的动量和能量交换。结果表明:（1）顶吹过程具有明显的瞬态特征,形成的冲击坑有一定的随机特性,表面波的形成及传播使冲击坑及气-渣-金界面具有不稳定性,这种不稳定性控制了金属液滴的产生和初始尺寸分布。枪位的降低或操作压力的提高均增强了界面的不稳定性,而熔体物理性质的影响相对较弱;（2）金属液滴喷溅的形成有两种方式:一是金属带在冲击坑边缘破碎撕裂,二是单个液滴直接从冲击坑边缘的排出,这两种方式同时发生并共同导致了喷溅的产生。在1.2-1.8 m枪位下喷溅速率为6.1-34.4 kg·Nm^-3。枪位的降低或者操作压力的增大均增强了熔池的喷溅,而熔体物性的影响要小的多;（3）在熔池底部和侧壁附近以及冲击坑中心凸起区形成流动“死区”,“死区”体积随枪位的提高、操作压力的降低而增大;（4）射流动能用于熔池搅拌的动能利用效率很低,降低枪位或增大操作压力均促进了射流与熔池的动量交换,但降低了射流的能量传递效率。