聞成才 王龍濤 姚威 何春雨 張立杰 宋博瀚

（1：馬鞍山鋼鐵股份有限公司四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243003；2：北京科技大學(xué)設(shè)計研究院有限公司 北京 100083）

1 前言

層流冷卻系統(tǒng)作為控制軋制和控制冷卻的一個組成部分，直接影響帶鋼的組織和性能，所以層流冷卻過程是熱軋生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)［1］。下集管是層流冷卻系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備，集管結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響水的均勻性和水的流速，從而影響帶鋼表面溫差，冷卻能力和金相組織，同時水流在集管中流動，流動的路徑、管道阻力及產(chǎn)生的旋流等對冷卻效果具有重大影響［2］，因此對下集管結(jié)構(gòu)和流體分析具有重要的意義。本文采用ANSYSfluent對下集管噴水均勻性進行仿真分析。

2 下集管概況

下集管通過氣動開閉閥、氣動調(diào)節(jié)閥、流量計、過濾器和手閥與高位水箱進行連接。其組建的層流冷卻系統(tǒng)具有冷卻能力強，流量可調(diào)的特點，這樣就可以根據(jù)鋼種、尺寸規(guī)格以及卷取溫度的要求來設(shè)定工作集管數(shù)、調(diào)節(jié)各組集管流量和上下集管流量比來控制鋼板的冷卻過程，以滿足鋼板性能要求［3］。下集管采用三排噴嘴，入口直徑為94mm，出口直徑6mm，如圖1所示。本文模擬水從下集管入口流入從出口噴出的過程?，F(xiàn)有下集管上下腔體是直接連通的，在使用過程中發(fā)現(xiàn)噴嘴出水水柱存在高度不一致、粗細(xì)有差異的情況，這樣就導(dǎo)致在帶鋼寬度方向冷卻不均勻的現(xiàn)象。為了找出下集管噴嘴水柱不均勻的原因，對下集管采用了有限元的方法進行流體仿真。

圖1 下集管結(jié)構(gòu)示意圖

3 有限元仿真

3.1 三維模型建立以及網(wǎng)格劃分

運用SolidWorks軟件［4］對下集管進行三維建模，將模型文件保存為IGS格式在ICEM CFD中打開，首先對模型進行檢查，確保導(dǎo)入模型正確性，無丟失。然后定義邊界INLET、OUTLET等設(shè)置部件網(wǎng)格尺寸，如圖2所示，最小尺寸為2mm，是因為下集管整體尺寸較大，最小尺寸為6mm，為了保證計算的準(zhǔn)確度，同時為了提高仿真計算的速度。尺寸參數(shù)設(shè)置完成后，進行網(wǎng)格劃分。因為模型較為復(fù)雜同時為了節(jié)省劃分網(wǎng)格的時間，選擇四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選擇Tetra／Mixed，生成網(wǎng)格的方法采用Robust，生成的網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 各部分網(wǎng)格大小

圖3 下集管網(wǎng)格劃分

通過Quality對生成的網(wǎng)格進行質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果如圖4所示，可以看出：網(wǎng)格質(zhì)量在0.2以上，滿足使用要求［5］。通常網(wǎng)格質(zhì)量在0.2以上就可進行計算，網(wǎng)格質(zhì)量太大會影響求解的精度和速度。

圖4 網(wǎng)格質(zhì)量信息

3.2 流體仿真分析

將ICEM CFD軟件生成的mesh文件在Fluent中打開，進行流體分析。本文分析下集管內(nèi)水從無到有的過程。選擇 Transient，model選擇Multiphase－Eulerian和標(biāo)準(zhǔn)k－e模型［6］。其中相數(shù)為2，分別為空氣和水。監(jiān)測出口速度和下集管內(nèi)水體積分?jǐn)?shù)。邊界條件設(shè)置如表1所示，其中入口速度是通過生產(chǎn)現(xiàn)場實測下集管出口流速反推計算所得?，F(xiàn)場實測下集管出口速度2.2m／s，則水入口速度設(shè)置為1.3m／s。

表1 邊界條件設(shè)置

選取Coupled算法［7］，初始化方法采用Standard Initialization，對模型設(shè)置迭代次數(shù)2000次，每次時長0.005s，并進行求解計算，得之收斂［8］。

首先對舊下集管進行流體仿真分析。圖5為舊下集管不同時間時水的占比情況。

由圖5得舊下集管先充滿腔體下部，然后從遠(yuǎn)離進水口端逐步充滿腔體。由圖5c可得到當(dāng)水流穩(wěn)定后從入口段到遠(yuǎn)離入口段，噴嘴管內(nèi)水含量的占比升高。

圖5 舊下集管不同時間時水的占比情況

從創(chuàng)建模型的中間截面來觀察流體的運動，中間截面壓力分布云圖如圖6所示。

圖6 中間截面壓力分布云圖

由圖6可得：舊下集管噴嘴靠近入水口段壓力明顯高于后邊的噴嘴壓力，中后端水壓力均勻，這就造成了水柱高度不均勻的情況。將圖中靠近進水端噴嘴底部放大，如圖7所示。

圖7 靠近噴嘴根部區(qū)域壓力分布云

圖8為舊下集管充滿水出口的速度云圖。由圖8可得，舊下集管各個噴嘴內(nèi)速度分布不均勻，通常情況下中心出速度最快，沿著徑向方向到管壁面逐漸減小。由此可知上腔體內(nèi)水均勻性不佳。

圖8 舊下集管出口速度云圖

圖9為舊下集管縱向方向上出口處的速度分布圖。由圖可得舊下集管近進水端水流速明顯高于其他位置，水流速范圍約3.00m／s～3.75m／s。

圖9 舊下集管縱向方向上出口處的速度分布圖

通過對舊下集管仿真結(jié)果的分析，得到舊下集管腔體上部中水未完全充滿就從噴嘴中噴出了，為解決這一問題，在上下腔體之間增加了阻尼裝置，這樣能起到穩(wěn)流的作用，使水盡量充滿腔體然后再從噴嘴中噴出，設(shè)計出新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的下集管。

同樣的仿真步驟和方法對新下集管進行仿真計算。

圖10為新下集管不同時間時水的占比情況。由圖10得新下集管在阻尼裝置的作用下先充滿下腔體，然后通過阻尼裝置進入上腔體再從噴嘴中噴射出去，同時每根噴嘴中水的占比是基本相同的。

圖10 新下集管不同時間時水的占比情況

圖11為新下集管的中間截面的壓力云圖。由圖11可知：壓力過渡較平穩(wěn)，沒有較大幅度的波動，噴嘴出口的壓力分布均勻，從而導(dǎo)致水流速均勻。將圖中靠近噴嘴根部的區(qū)域放大，如圖12所示。

圖11 中間截面壓力分布云圖

圖12 靠近噴嘴根部區(qū)域壓力分布云圖

圖13為新集管的出口處的速度云圖。圖14為新下集管縱向方向上出口處的速度分布圖。由圖13與圖8進行對比可得，新下集管每個噴嘴出口速度云圖更加飽滿，基本呈圓狀，舊下集管噴嘴出口速度云圖多數(shù)呈不規(guī)則形狀，所以同等設(shè)置條件下改進后下集管出口速度更加均勻。

圖13 新下集管入口和出口速度云圖

圖14 新下集管縱向方向上出口處的速度分布圖

由圖14與圖9進行對比可得，水流速縱向方向上分布更加均勻，改進后下集管的速度為2.75m／s～3.25m／s，水流速更加均勻了，跨度小了。阻尼裝置起到了平穩(wěn)水流的作用，但同時也降低了水的流速。但是總體效果達到了，出口處的速度更加均勻和平均。

4 結(jié)論

本文主要對層冷線下集管以及現(xiàn)場應(yīng)用出現(xiàn)的問題進行了闡述，運用仿真軟件對舊下集管進行流體仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，得到了導(dǎo)致現(xiàn)場出現(xiàn)水柱高度、粗細(xì)不均的原因。在此基礎(chǔ)上設(shè)計出新的下集管，用同種方法作了仿真分析，并把仿真結(jié)果與舊下集管進行對比。對比結(jié)果表明：新下集管內(nèi)部壓力分布較好；同時出口處速度分布更均勻，證明了設(shè)計的合理性和正確性。