棒材穿水冷卻過程中流速場的理論解析.docx

1、第29卷第4期2007年11月Vol.29No.4Nov.2007河北理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofHebeiPolytechnicUniversity(NaturalScienceEdition)文章編號:1674-0262(2007)04-0047-06棒材穿水冷卻過程中流速場的理論解析任吉堂，成慧梅（河北理工大學(xué)院冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009）關(guān)健詞：穿水冷卻；速度場；數(shù)學(xué)模型摘要：對棒材穿水冷卻裝笠中冷卻管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對其中流體的流態(tài)進(jìn)行了討論,從理論上計(jì)算和解決了冷卻介質(zhì)在冷卻管中運(yùn)動時的速度場問題，給出了不同區(qū)域內(nèi)速度的分布形式，從而為棒材穿水阻力的計(jì)

2、算提供了一個基礎(chǔ)和前提條件。中圖分類號:TG302文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言熱軋棒線材在線穿水冷卻是控制、改善和提高棒線材組織性能的有效手段，也是現(xiàn)代化熱軋棒線材生產(chǎn)線必需的工藝設(shè)備。目前，在穿水冷卻工藝的研究中，既要解決棒材在穿水過程中所受的阻力問題,又要解決穿水冷卻設(shè)備中的傳熱問題，而確定冷卻器中冷卻介質(zhì)的流速場是計(jì)算這些問題的基礎(chǔ)條件和前提條件之一，因此研究和解析冷卻介質(zhì)在穿水設(shè)備中的流速場問題已成為必然。只有很好地解決了這個問題，才能準(zhǔn)確地預(yù)報在穿水設(shè)備中棒材所受的阻力，解決棒材的堆鋼問題，為棒材的生產(chǎn)提高市場競爭力，同時也帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。1棒材穿水冷卻裝置的結(jié)構(gòu)流體在冷卻管內(nèi)

3、的流動狀態(tài)決定了軋件與冷卻介質(zhì)的熱交換強(qiáng)度。本論文研究的冷卻裝置中的冷卻管結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1給出的冷卻管內(nèi)設(shè)置了多個紊流套，每個紊流套之間用內(nèi)徑較大的等內(nèi)徑管作為定位套,構(gòu)成穩(wěn)態(tài)流動條件。冷卻水通過噴嘴進(jìn)入一連串的索流套時，除沿棒材軸向高速流動外，由于截面的變化，造成壓力的變化，在棒材垂直表面上也有較劇烈的攪動。水流的兩種運(yùn)動的結(jié)合,保證得到了較大而冷卻能力，同時也保證了整個截面冷卻的均勻性。收稿日期：2006-09-232冷卻管結(jié)構(gòu)分析流體在冷卻管內(nèi)流動狀態(tài)決定了軋件與冷卻介質(zhì)的熱交換強(qiáng)度。圖2所示了冷卻管內(nèi)通流截面面積沿管子長度變化趨勢對流體流動態(tài)的影響。Oft管Oft管圖2假設(shè)的管內(nèi)徑

4、變化與流體流態(tài)的關(guān)系親”竺蘭蘭遮層海狀志分析可知，假設(shè)流體在等直徑管內(nèi)作層流狀態(tài)流動，當(dāng)其進(jìn)入具有收縮形狀部分的時候,流體不會改變其流動狀態(tài)，但是按著流體運(yùn)動的連續(xù)性條件可知，流體會產(chǎn)生加速流動。當(dāng)流體進(jìn)入突然擴(kuò)大的內(nèi)徑段時候，流體流態(tài)將如圖2右段所表示的狀態(tài)，即由層流狀態(tài)變?yōu)榱宋闪鳡顟B(tài)。這種狀態(tài)加大了流體與軋件的換熱強(qiáng)度。3流速場的解析3.1層流流動的分析假設(shè)流體在等直徑管中運(yùn)動時作層流流動。設(shè)圓管的半徑為流體流速為u(r)o選取與圓管同軸線、半徑為r的圓柱體作為流束來考慮。由于流束表面的摩擦切應(yīng)力7大小不變，流束的水力半徑&二成,應(yīng)用均勻流的基本方程可以得到:其中：p流體的密度,k

5、g/m>4g流體的重力加速度,N/kg；J水力坡度,J=h/l(m)。而在圓管中作層流運(yùn)動的流層之間的摩擦切應(yīng)力t符合牛頓摩擦定律t=/xdu/dyo假設(shè)y是流層到邊壁的距離，即y=r0-rt有：duduT="石=-萬將上面(1)(2)兩式聯(lián)解，消去T，得:(3)即：du=由于物性參數(shù)”(運(yùn)動粘性系數(shù))是常數(shù)，過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的水力坡度J相同，故對上式積分得到:u=_樣-°4v當(dāng)r=r0時,粘附在邊壁上的流速u=0,由此邊界條件得到任吉堂，等:棒材穿水冷卻過程中流速場的理論解析任吉堂，等:棒材穿水冷卻過程中流速場的理論解析49代回上式,得到斷面上的流速分布式：(6)&q

6、uot;斜-，)它表明流速在圓管斷面的r方向上按拋物線分布。如下圖3所示。圖3圓管內(nèi)層流流速分布剖面(7)(9)根據(jù)式(6),容易得到圓管軸中心處為斷面最大流速:%，=-V0和斷面平均流速：”=HudA=卻:敦*-，)(2g)=斜斷面流量：Q=由=S比較式(8)與式(9),得：1即圓管層流流動的斷面平均流速是斷面最大流速的一半。3.2層流進(jìn)口起始段層流時圓管斷面上的速度分布為拋物面，這個規(guī)律并不是剛?cè)牍芸诰湍芰⒖绦纬?，而是要?jīng)過一段距離,這段距離稱為進(jìn)口起始段。之后，速度按拋物面規(guī)律分布,稱為完全擴(kuò)展一段。圖4進(jìn)口起始段的流速場如圖4所示，如果流體從一大容器流入管道，則進(jìn)口斷面處流速是均勻的。

7、由于粘性，在管壁處的流體粘附在管道壁面上，速度為零。隨著離開管壁的距離的增大，壁面對流體的影響減弱，流速將很快增大，至一定距離處,就接近原來未受管壁擾動的速度。因此，速度改變現(xiàn)象只發(fā)生在緊鄰管壁很薄的流層內(nèi)，這個薄層8稱為邊界層或附面層。附面層沿著流動方向逐漸向管軸擴(kuò)展。在附面層內(nèi)流速向管壁遞減為零，根據(jù)連續(xù)性原理,附面層內(nèi)流速的減小，必將使中部的流速增加。因此，沿流速方向的各斷面上速度分布已不斷改變。假設(shè)在離進(jìn)口處距離為，的斷面上，附面層已經(jīng)基本上擴(kuò)展至管軸，這個斷面中心處最大流速已等于完全擴(kuò)展段斷面上最大流速的98%-99%,可以認(rèn)為該斷面的流動基本上已完全擴(kuò)展。從進(jìn)口處至距，離就是起始段

8、長度。層流時起始段長度，較大，/,«0.058dReo3.3紊流流動的分析當(dāng)流體其進(jìn)入具有收縮形狀部分的時候，由于對冷卻管的結(jié)構(gòu),不會改變其流動狀態(tài)，但是按著流體運(yùn)動的連續(xù)性條件可知，流體會產(chǎn)生加速流動。當(dāng)流體進(jìn)入突然擴(kuò)大的內(nèi)徑段時候，流體流態(tài)將由層流狀態(tài)過渡變?yōu)榱肆鳡顟B(tài)紊。紊流是一種流態(tài),即使是紊流流動中也并不是整個流場都是紊流。由于流體具有粘性,緊貼管壁的流體質(zhì)點(diǎn)將粘附在固體壁面上，流速為零，滿足無滑移條件，使得在緊靠壁面很薄的流層內(nèi),速度由零很快增至一定值，在這一薄層內(nèi),流速梯度很大，因而粘性切應(yīng)力也很大，而且壁面對這一薄層內(nèi)的流體質(zhì)點(diǎn)間摻混也起限制作用。因此，在緊靠固體壁面處

9、存在厚度極薄的層流層,稱為層流底層或粘性底層。在層流底層之外,還有一層很薄的過渡層,在此之外才是紊流層，稱為紊流核心區(qū)。(1)層流底層對于圓管素流，其層流底層的速度分布應(yīng)滿足(6),即：u=敦2-，)=敦rj-(r0-y)2=敦。-y)(10)由于層流底層很薄，故有y<<r。、于是上式可近似寫成=叛(11)由t=pgRJ知邊壁切應(yīng)力應(yīng)為t=pg-J,故：(12a)(126)(13)Tou=或無址綱化為:u由式(12)可見，在層流底層中,速度分布近似為直線分布。實(shí)驗(yàn)研究表明，粘性底層的厚度8。能夠表示成：.32.8d8。=Re/K式中；d圓管直徑；Re流動雷諾數(shù),底=乎；A沿程阻力系

10、數(shù)。(2)素流核心區(qū)圓管紊流分為層流底層、過渡區(qū)與紊流核心區(qū)三個流層。在求斷面速度分布時，過渡區(qū)一般歸入紊流核心區(qū)。在紊流充分發(fā)展的紊流核心區(qū),粘性切應(yīng)力可以忽略，切應(yīng)力取決于雷諾切應(yīng)力，因此r=p/2(J)r2(14)為了積分求出速度分布，必須滿足T、y與1的關(guān)系。由均勻流的基本方程可知：(15)丁=丁0：=丁0(1-X)roro根據(jù)卡門及尼古拉茲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，混合長為:任吉堂，等:棒材穿水冷卻過程中流速場的理論解析51(16)式中：K卡門通用常數(shù),K=0.4。由上述3式（14）、（15）、（16）可得:(17)所以:1后(18)積分上式，得u=rny+CK式中:C積分常數(shù)（需要用實(shí)驗(yàn)方法來確定

11、）;“阻力速度，U.=V/A/8O對于水力光滑管，利用層流底層外緣流速的連續(xù)性條件,假設(shè)在y=8。處u=%,由式（18）得到:C=Ub-n80又由式（12）得:yvub_2丁0將C、6°代回式（18）,并無址綱化，得U111ub1u.*KvKuu9Kv根據(jù)尼古拉茲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,上式中的無量綱常數(shù)C=5.5。因此，水力光滑管的紊流對數(shù)流速分布為:(19)=2.51n+5.5u.v(20)由試驗(yàn)得出，紊流速度分布除用上述對數(shù)形式表示外，?？山频赜弥笖?shù)方程表示，即：式中:“皿ron0圖5光滑管內(nèi)紊流流速分布剖面管軸處最大流速；Re4xlO32.3x01.1xlO5、1.1xlO62.0x1

12、063.2x106n6.06.67.08.810.010.0-圓管半徑；指數(shù)（隨雷諾數(shù)的增大而增大雙的取值見表1）o表1流速指數(shù)分布的幾值如圖5所示，在光滑管內(nèi)紊流核心區(qū)流速的指數(shù)分布形式。紊流時由于流體質(zhì)點(diǎn)的混雜，斷面流速分布較均勻，起始段長度較小,4=30d,影響也小，一般情況下可以忽略不計(jì)。4對計(jì)算結(jié)果的分析與應(yīng)用本文用(6).(12)和(19)三式確定了冷卻管中不同區(qū)域內(nèi)的流速場分布形式。對一鋼筋軋后穿水冷卻過程中的冷卻管內(nèi)流速場的分布進(jìn)行了ANSYS模擬，圖6即為模擬出的結(jié)果,它與本文理論分析得到的流速場分布基本上是一致的。大小沿就方函«增加圖6軸向速度場的分析而棒材與冷卻

13、介質(zhì)之間存在相對運(yùn)動，將坐標(biāo)固定在物體上來研究這些運(yùn)動，則都成為物體靜止流體運(yùn)動的繞流運(yùn)動形式。當(dāng)運(yùn)動的粘性流體流過一物體時,大址實(shí)驗(yàn)表明，整個流場分成兩個速度分布特征明顯不同的區(qū)域。在靠近物體表面附近的流動區(qū)域1和其外面的流動區(qū)域2。區(qū)域1是速度從物體表面處的零值經(jīng)過一段很短的法向距離就變成物體外面的勢流速度值。區(qū)域2的粘性作用很小，因而忽略其作用而將流體當(dāng)作理想的來處理，所造成的速度分布的誤差不會很大,因此可以用上述的計(jì)算公式來進(jìn)行計(jì)算。流動區(qū)域1的速度分布可以參考層流底層的流速分布計(jì)算。因此,在棒材的穿水過程中，采用本文給出的流速場分布以及流速場的理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型，我們可以用來模擬棒材穿

14、水冷卻過程中的阻力問題，進(jìn)而控制棒材在軋制過程中堆鋼事故的發(fā)生。5總結(jié)本文主要研究了冷卻介質(zhì)在穿水設(shè)備中的流速場問題，從理論上分析和解決了流體流動過程中在冷卻管不同區(qū)域內(nèi)的流速場分布，所得的理論結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬出來的結(jié)果符合地比較好,從而為以后穿水冷卻工藝中各種問題的解決提供了一個很好的基礎(chǔ)和前提條件。參考文獻(xiàn)：1 任吉堂，徐樹成，等.一種新型的熱軋棒線強(qiáng)力穿水冷卻裝KJ.鋼佚,2003,38(3)：5760.2 高學(xué)平.高等流體力學(xué)M.天津:天津大學(xué)出版社,2005.3 (丹麥).Sv.Aa哈瓦爾特.高等學(xué)校教材:船舶阻力與推進(jìn)M.大連:大連理工大學(xué)出版社,1989.TheoreticalResolutionofBarinWaterCoolingProcessRENJi-tang,CHENGHui-mei(CollegeofMetallurgyandEnergyHebei,PolytechnicUniversity,TangshanHebei063009,China)Keywords:watercooling；velo