液流速度对钢板冷却过程影响的数值模拟.pdf
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1、第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目();“兴辽英才计划”项目()作者简介:刘凌昂(),男,硕士研究生;于庆波(),男,教授,博士生导师,:年 月 :液流速度对钢板冷却过程影响的数值模拟刘凌昂,于庆波,秦 勤(东北大学 冶金学院,沈阳)摘 要:针对铸轧冷却过程中冷却水在钢板表面形成液膜的现象,为了解液膜对冷却过程的影响,利用 软件对液流冲击液膜过程进行了数值模拟,分析了液流冲击液膜后水花形态的演变以及钢板的换热特性并重点研究了液流速度对二者的影响 结果表明:液流速度的增加会使水花形态的演变更加激烈,同时也会增加贴壁处的流体速度,当液流速度从 增至 时
2、,水花直径从 增大至 ,贴壁处的最高流速从 增至 ;液流冲击会使钢板的换热得到强化,增加液流速度会提高钢板的冷却效率,当液流速度从 增至 时,钢板表面努塞尔数()的最大值从 增至,钢板表面温度的最低值从 降为 关键词:射流冲击;流动特性;强化传热;有限元仿真中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;随着钢铁行业的竞争加剧,市场对金属性能的要求也越来越高全球钢铁市场中有 都是钢板,在铸轧过程中对钢板进行温度控制可以改变其内部的微观结构,控制奥氏体、珠光体、马氏体及贝氏体等的数量和位置分布,从而改善钢板的性能目前铸轧阶段的冷却方式主要有 种,分别为高压喷嘴冷却、水幕冷却和层流冷却,而这
3、 种冷却方式都存在液流冲击问题液流在冲击钢板后很大一部分液体不会立即蒸发,而是残留在钢板表面形成液膜,这使得后续液流的冲击过程中更偏向于冲击液膜对于铸轧阶段的钢板冷却过程,学者们针对不同的工况做了很多研究崔青玲等对钢板冷却过程中的温度场和应力场进行了分析,指出钢板的塑性应变差主要发生在冷却的初始阶段苑达等针对钢板超快速冷却过程对单喷嘴液流冲击现象进行了数值模拟,对液流冲击的 个不同阶段进行了分析王永鲲对轧后控冷的层流冷却过程进行了数值模拟,指出液流直径和流速的增大均会强化钢板的表面换热性能韩毅等研究了不同液流速度及钢板表面的积水层厚度对冲击过程的影响,研究结果表明,钢板表面的积水层越薄,钢板表
4、面的压强越大,冷却效果越好但是大多数文献侧重于对液流直接冲击钢板表面的现象进行研究,忽视了钢板表面液膜的影响,部分文献对钢板表面存在积水层的情形进行了研究,但是并没有对流动形态做相应的分析相关的数值模拟都是以二维模型为主,这使得观察流动和传热特性时不够直观,很多细节无法展现大多数文献中直接采用 模型作为湍流模型,而 模型在计算液流冲击问题时的准确度并不高本文中利用 软件对钢板冷却过程中表面存在液膜的情形进行三维数值模拟,分析液流冲击液膜后水花形态的演变过程及原因,以及冲击过程中钢板的换热情况和温度变化,重点研究液流速度对流动形态和换热过程的影响 模型构建 物理模型和几何模型本文中采用的物理模型
5、和几何模型如图 所示液流在重力的作用下,以一定的初始速度垂直冲击钢板表面并与钢板表面的液膜发生碰撞,计算区域的尺寸为 网格划分采用结构化网格,对初始网格数分别为 万、万、万和 万的情况进行了模拟并对水花直径 随时间的变化数值进行记录,当网格数增加到 万后 的变化曲线保持稳定,不再随网格数的增加而变化,故将模拟的初始网格数定为 万为了节省计算资源并保证计算精度,在计算时采用自适应网格对气液分界面处的网格进行不断加密,效果如图 所示,加密后网格数会稳定在 万左右 控制方程针对上述研究对象,本文中采用 作为多项流动模型对气液分界面进行捕捉,因为 模型在计算弯曲壁面流动时的精度更高,使用 模型来模拟流
6、体的湍流运输,利用能量模型对计算区域的传热情形进行模拟具体的控制方程如下:质量守恒方程:()()液流液膜钢板图 物理模型和几何模型 图 自适应网格加密 动量守恒方程:()()()能量守恒方程:()()式中:为密度,为时间,为速度矢量,为动力黏度,为压强,为表面张力,为温度,为导热系数,为流体比热容其中表面张力 又可写成:()()式中:为表面张力系数;是两相界面处的曲率;为距离函数,代表某个点到气液分界面的最短距离()的定义如下:材 料 与 冶 金 学 报 第 卷()()式中:,为最小网格尺寸 湍流模型:()()()()式中:为湍动能,为湍动能比耗散率;为湍动能的速度梯度,为比耗散率的速度梯度;
7、和 分别为 和 的有效扩散系数;和 分别为 和 的湍流耗散项;和 分别为 和 的交叉扩散项 边界条件和求解器的设置液流入口设置为速度入口,直径为 ,液流温度为 ;出口处均为压力出口,压力为;钢板厚度为 ,壁面为无滑移壁面,钢板初始温度设置成 ;此外,初始液膜区域温度为,液膜厚度设置为 求解器中压力速度耦合方程采用 算法,因为 算法对求解瞬态问题有明显的优势;压力项采用 格 式;各 流 动 方 程 的 离 散 和 水 平 集()函数的求解均采用二阶迎风格式 模型验证为了验证本模型的可靠性,使用本模型进行了数值模拟,并将模拟结果与文献中的实验数据进行对比,选取钢板表面温度作为对比的参T/K7707
8、65760755750745051015x/mm文献10中的实验结果本文中的模拟结果图 模型验证 数图 显示了对比的结果,表示某个点与冲击点的距离实验和模拟结果之间的误差为 ,可以认为本模型能够较好地反映钢板表面的温度变化 计算结果和分析模拟过程中采用的物性参数如表 所列与计算结果相关的物理量包括液流速度、水花直径、钢板表面努塞尔数()以及钢板表面温度 表 物性参数 名称密度()比热容()导热系数()钢板 液态水 流动形态的分析图 给出了速度为 的液流和液膜碰撞后的水花形态演变过程从图中可以看出:当 时,在冲击点附近产生了向外扩张的颈部射流;当 时,射流快速发展成水花,且水花形态保持完整;当
9、时,水花破碎并在边缘处产生大量的飞溅液滴,且水花形态会稳定在这一状态,不再随时间变化而变化出现这种现象的原因是液流在和液膜发生冲击时,由于固体壁面的阻挡,液流的流动方向发生改变,从垂直于壁面转变成与壁面水平,方向改变后的液流与原本静止的液膜发生碰撞,推动液膜向外运动,同时在二者的碰撞区域会产生向上的射流,该处射流会随时间不断向外发展且射流内部的速度会不断减小并最终稳定,当射流速度稳定时,水花形态的演变过程也随之稳定图 为水花截面处的压力分布云图,实线部分代表水花和空气的交界面从图中可以看出,在撞击区域附近存在很大的压力梯度,压力的作用促使了水花向外运动 液流速度对流动过程的影响图 给出了液流速
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