（机械设计及理论专业论文）合金化均热炉的温度场数值模拟研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，合金化热镀锌钢板作为一种高效节能的钢材品种得到了广泛应用。热镀锌及 其合金化是目前板带产品在防大气腐蚀方面最常见、最有效同时也最经济的一种工艺。合 金化炉作为带钢连续热镀锌机组的关键设备，直接影响了热镀锌板的质量。合金化加热方 式、保温温度和时间及冷却速度都是影响合金化镀层结构的重要因素，在合金化镀锌钢板 的生产过程中必须对这些因素进行严格的掌握与控制，对合金化均热炉温度场的分析也就 是为了掌控这些因素，具有较大的理论和现实意义。 本文利用c f d 软件f l u e n 戗寸合金化均热炉内流场和温度场进行了数值模拟研究，主要工 作包括：( 1 ) 建立合金化均熟炉的三维模型，基于网格生成理论对炉内的流体和固体区域进 行网格划分，生成计算节点；( 2 ) 利用计算流体动力学原理，在对湍流模型基本理论进行总 结的基础上，采用标准的七一占两方程湍流模型和s i m p l e 算法建立炉内的流体流动换热的 数学模型；( 3 ) 利用f h 瑚i t 对合金化均热炉在实验测试状态和正常生产两种工况进行了仿真 研究，通过分析模拟结果，得出炉内空气在带钢宽度方向上的温度分布均匀，在带钢运动 方向上的温度分布不均匀，同时对某钢厂镀锌线合金化均热炉温度进行测试，把炉内温度 场的分布情况与测试数据进行分析比较，检验了计算模型的正确性：( 4 ) 根据模拟结果优化 合金化均热炉内的电阻排列，使炉内沿带钢运动方向上的温度分布均匀。 本文的数值模拟结果有利于提高对合金化均热炉内温度场分布规律的了解，为合金化 均热炉的设计以及进一步的研究工作提供了理论参考和科学依据。 关键词：合金化均热炉：f l u e n t ：温度场；数值模拟 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e 盯s ，a l l o y i n gg 小a r 血e ds t e e l ，鹊ak i n do fe n e r g y - s 她gs t e e lw i t hm 曲 e m c i e n c y ，i sp u t 硫oam d em g eo f a p p l i c a t i o n s h o td i pg a l v a n i z e d 姐da 1 1 0 y 吨i ss o 缸恤 m o s tc o m m o n ，t h em o s te f f e c t i v e 锄da l s o t h em o s te c o 玳 m i c a lp r o c e s si i lp r e v e n 廿n g a 恤0 s p h e r i cc o r r o s i o no fb o a r dt a p ep r o d u c t s a sm ek e ye q m p i l l e n to ft h es 仃i pc o n t i m l o u s g a l v a m z i l l g1 i n e ，m eg a l v a 珈1 e a l i n g 如m a c eh 嬲ad i r e c ti r l l p a c to n 也e 小i a l 时o f 也eh o t g a l v 越z e ds t e e ls h e e t 础l o y i n gh e a t i n gm o d e ，h e a tp r e s e a t i o nt e m p e r 狐鹏a i l dt i i n e ，缸d 血e c 0 0 1 i i l gs p e e da r ea l l 近1 p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i l l gt h e 出l o y h 培c o a t i n gs 臼m 】r e ，s o i n 也e p r o d l l c t i o np r o c e s so fa 1 1 0 y i t l gg a l v a i l i z e ds t e e lp l a t e s ，t 1 1 e s ef a c t o r si m l s tb eu i l d e rs 仃i c tc o n t r 0 1 t h ea n a l y s i so ft ：h ea l l o y i n ge q u a l - h e a t i i 培如m a c et e m p e r a ：t u r ef i e l di st oc o n t r o lm e s ef a c t o r s ，s o i ti so f g r e a tt l l e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e c f ds o f h a r ef 1 u e n ti su s e di n 仳sp 印e rt 0c o n d u c ts i m u l a t i o nf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l d o f 血ea l l o y i n ge 删h e a t 堍觚嘁e t h e 眦i nw o r k 血l u d e ：( 1 ) a3 ds i i 】m a t i o nm o d e lo f t 1 舱a 1 1 0 y i l l ge 刚m - h e a t i n g 内r 玎- a c ，ei se s t a b l i s h e d ，a r l dm e n 廿1 ef l u i da n ds o l i dr e g i o n a lg r i di 1 1 s i d e t h em m a c ei sd i v i d e dt 0 g e n e r a t ec o m p u t i i l gn o d eb a s e do nm et 1 1 e o 巧o fg r i dg e n e r a t i o n ( 2 ) u s i n gc o m p u t a t i o n a ln l l i dd y n 砌c sp r i n c i p l e ，o n 也eb a s i so fm eb 嬲i ct h e o 巧o ft u r b l l l e n c e m o d e l ，也eh e a tf l o wm a m e m a t i c a lm o d e li n s i d et h ef h m a c ei se s t a b l i s h e dw i l ht l l es 伽1 d a r d 七一st w oe 小l a t i o nt u r b u l e n tm o d e la n ds i m p l ea l g o r i t h m ( 3 ) w 胁f 1 u e n tt l l es i n m l a t i o n r e s e a r c ho fm ea 1 1 0 y i n ge q u 甜h e a t i n g 如m a c ei sc o n d u c t e du n d e rr n a i l l t e n a n c ea i l di nn o n n a l p r o d l l c t i o n t h ea i l a l y s i so fm es i m u l a ：t i o nr e s u l t ss h o we v e nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni i l 也e d i r e c t i o no f 也es t r i pw i d t l l ，a n du n e v e nt e m p e r a _ c u r ed i s t r i b u t i o ni 芏1m ed i r e c t i o no ft ：h e s 仃i p m o v e m e n t a tm es 锄他t i i n e ，t e s t i r 培也et e m p e r a t u r eo ft h ea l l o y i n ge q l l a l - 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5 】。 现如今我国建筑业正以前所未有的速度发展，汽车制造业已成为了我国的自主产业， 家电产品产量也跃居世界前列，市场对热镀锌钢板的需求急剧增长，这就为其提供了广阔 的市场和应用空间。近几年来我们的汽车工业进入到了高速发展时期，尤其是轿车工业因 市场需求的加大正在快速的增长。随着各大汽车厂商对生产线的引进和投产，用于轿车的 冷轧薄板的市场需求也激剧增加，其中冷轧薄板使用量的7 0 为镀层板嘲。因为汽车类型、 使用要求及生产厂家和地域的不同，镀层板的性能及品种的需求也有了不同，各种镀层薄 钢板在轿车面板用材中，大约占5 0 以上，有的车型甚至全部都要用镀层板。但是目前我 国的现有生产线根本不能满足这一需求，所以，我国的钢铁工业不但要提高产量、增加品 种，而且还需要建设新的生产线、来满足用于汽车的镀层板生产，但是原有的热镀锌机组 设备已很难满足汽车外板对表面质量、镀层结合力等的要求，这时我们需要解决以下几个 主要问题：1 ) 带钢主体的化学成分；2 ) 板带的表面质量；3 ) 镀层厚度的均匀性；4 ) 合金化晶 相结构；5 ) 工艺流程控制。这就使新型的带钢连续热镀锌机组在清洗设备、入口焊机、合 金化炉、平整机和退火炉等设备上进行必要的改进。 通过热镀锌处理使材料合金化是目前板带产品在防大气腐蚀方面最常见、最有效同时 也最经济的一种工艺。合金化工艺就是在4 5 0 - 5 5 0 条件下，对通过热浸镀得到的纯锌 镀层进行退火处理，得到铁含量在7 - 1 5 之间的锌铁合金镀层的一种工艺【7 】。影响合金化 过程的因素主要包括锌锅温度、锌液有效铝含量、带钢初始温度、锌液中的铝含量、带钢 运动速度、合金化处理的温度、基板本身的化学成分以及锌镀层的厚度等。在钢带热镀锌 后进行合金化处理时必须达到如下要求：快速加热；钢带基体完全加热；整个钢带宽度方 向的均匀加热。这些都是获得优质镀层同等重要的条件。 合金化炉作为带钢连续热镀锌机组的关键设备，直接影响了热镀锌板的质量好坏。合 金化加热方式( 感应加热的频率) 、保温温度和时间及冷却速度都是影响合金化镀层结构的 重要因素，在合金化镀锌钢板的生产过程中必须对这些因素进行严格的掌握与控制【8 】。本 文主要是对其中的一个因素，即合金化炉均热段的温度场的分析研究，具有较大的理论和 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 现实意义。 因此，研究合金化均热炉内的空气流动及其传热规律是非常有意义的。通过分析均热 炉内温度场的分布以及保温层的隔热效果等入手，确保合适的合金化温度，从而提高钢板 的镀层质量。 1 2 合金化处理装备 镀锌板的合金化处理早期是在线外进行的，即将热镀锌后的板卷在松卷罩式退火炉( 或 紧卷罩式退火炉) 内进行扩散退火，然后再进行适当的平整。这种方式适用于无扩散退火炉 的热镀锌生产线。现代化的热镀锌生产线均在线内进行合金化处理，即钢带在从镀锌锅引 出并经气刀擦拭后立即进入合金化加热炉被加热到一定温度，并在此温度下保温一段时间 完成合金化过程，然后进入冷却器快速冷却以停止合金化反应。 合金化炉位于锌锅的正上方，从合金化炉的结构来看，可分为加热炉、均热炉和冷却 段。合金化加热炉将热镀锌后的钢带加热到一定的合金化反应温度，使镀锌层与钢基体之 间发生扩散和反应，并在均热炉内形成合适的合金相结构和最佳的铁含量，然后在冷却段 完成合金化镀锌层的不同的晶格层的形成，镀锌层就变成了由不同的晶格结构构成的合金 化层。 在钢带连续热镀锌线上早期的合金化炉是用煤气( 或天然气、石油液化气) 的直接火焰 加热。在加热炉内安装燃气烧嘴，将煤气与由冷却器送入的热空气混合燃烧。 早期德国蒂森公司的合金化处理装置的加热炉是活动的结构，可用机械方式从生产线 上移出。加热炉采用石油液化气烧嘴加热。在钢带的两侧各设置了3 0 个烧嘴分成5 排配置。 其保温炉和冷却装置设计成固定式的，保温炉内温度由向加热炉排出的热废气中鼓入的空 气量进行控制。钢带通过加热炉和均热炉的时间达1 0 s 以上，这样可保证钢带有充足的合 金化扩散时间。此外，在加热炉、均热炉和排烟道内均安装了测温装置，通过计算机控制 石油液化气燃烧及保温炉的空气量参数来控制镀层的铁含量和相结构。然而，这种火焰加 热的合金化炉对钢带加热的均匀性较差，而且其燃烧的废气对钢带有侵蚀作用 8 d 们。 鉴于直接火焰加热的上述缺点，后来改成辐射管式结构，对钢带进行间接加热。但这 种结构存在加热速度缓慢及加热均匀性差的问题，之后发现感应加热可解决加热的均匀性 问题。最初的感应加热采用工频感应加热，但又出现了钢带振动问题。当将感应频率提高 时( 提高到1 0 k h z ) ，振动问题大大减轻。于是，中频感应加热炉便在新建的镀锌生产线上 得到广泛应用。当采用感应加热时，均热炉一般用煤气加热来保温，也有采用电阻带加热 保温的。合金化加热炉采用感应加热后取得了良好的效果：能更好地按优化的温度- 时间曲 线进行扩散和合金化反应，更精确地控制镀层中的铁含量，同时还防止了欠合金化，从而 大大提高了镀层的性能；感应加热可以及时满足更换产品( 包括钢种和尺寸规格) 的要求， 几乎可以避免加热滞后所造成的过度合金化产品。 s e l a s 公司为美国俄亥俄州p r o t e c 镀层公司的u s x l b e 钢带连续热镀锌生产线设 计了感应加热合金化炉和2 2 m 的电阻加热的均热区以进行镀锌层的合金化。其感应加热炉 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 共有3 个功率1 0 0 0 k w 的单元，每单元有3 个感应圈。包括由电阻带加热的移动的和固定的两 部分的均热区。电阻带均匀分布在与钢带相对应的垂直平面上，从而在钢带宽度方向上提 供良好而均匀的加热条件。当生产线变换产品或改变工艺条件时，它也能很快地调节并很 容易适应，而不影响合金化速率【9 】。 现在宝钢2 号连续热镀锌生产线上的合金化炉为电加热式。加热炉采用高频感应加热， 功率为2 0 0 0 k w 、频率1 2 5 忆；均热炉长3 0 m ，4 段电阻带加热，功率1 0 0 0 l 0 ，流体流动方向 沿正x 方向，当尸p 数很大时，流场中只有对流，可以忽略扩散的作用；在n 1 1 6 3 的时候，控制容积内的流动位于 对数律层，速度甜。按照公式( 2 2 7 ) 计算： 甜+ = 妻h ( 矽+ ) y + 计算式如下： 公式( 2 2 7 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 v + = 坐唑塑 h 这时壁面切应力满足关系如下： t w = l 。c x 4 砖2 u p u + 其中，每口为节点尸到壁面的距离，为合金化炉内空气的动力粘度、 动能，“口为节点p 的时均速度。 公式( 2 2 8 ) 公式( 2 2 9 ) 七p 为节点p 的湍 在壁面相邻的控制容积内的节点满足关系y + 1 1 6 3 的时候，其流动位于粘性底层， 这个时候由层流的应力与应变关系来决定速度甜。，即： “+ = y +公式( 2 3 0 ) ( 2 ) 能量方程中的温度r 的计算式 在能量方程中求解的未知量为温度z ，为了构造壁面上的物理量和内节点上z 的联系 式，引入一个新的参数丁+ 定义如下： 丁+ ：竖 圣! 丝笠：竺： 公式( 2 31 ) g w 式中，r w 是壁面上的温度，g w 是壁面上的热流密度的，瓦是与近壁区的节点p 处的 温度，p 为炉内空气的密度，c 。代表炉内空气的比热容。 壁面函数法利用公式( 2 3 2 ) 将壁面值和内节点上的温度r 相联系 3 7 。3 8 】： 丁+ = 式中， p + 扣学 h c 们+ 小吉p 学嘛柙测 ( y + y ；) 公式( 2 3 2 ) ( y + y ；) j ，= = 9 2 4 ( 言 3 7 4 - - t ( 1 - 。2 8 p 一。7 p 】r p b ) p r 为分子的p r 册刃数，p r | 为湍动p r 硼讲数，七厂为气流热传导系数， 的平均速度。 ( 3 ) 湍动能方程和耗散率方程中的七与s 的计算式 在七一占模型中，壁面上定义湍动胄甑的边界条件为： 丝：o 公式( 2 3 3 ) ”。为在y + = 睇 公式( 2 3 4 ) 其中挖为垂直壁面的局部坐标。 当控制体积在近壁区内，则可以按局部平衡假定的方法来计算耗散率占和湍动能产生 项g 。，即在近壁面的控制体积区域内g 。= 占。从而，g 和s 的计算公式如下： 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 即九号砜南 c 砂y l ：j 彤：一 s ：鲨竖 脚p 公式( 2 3 5 ) 公式( 2 3 6 ) 上述壁面函数法对各种壁面的流动都非常有效，是f l u e n t 的默认选用方法。虽然壁面 函数法的工程实用性强、计算效率高，但还是存在它自身的局限性，不适用近壁面的流动 处于高压或者是流动分离比较大的情况下使用【3 9 1 。 2 7 本章小结 本章基于计算流体动力学基础知识，建立了合金化均热炉内气体流动换热的数学模 型。首先阐述了流体流动基本的控制方程，然后采用有限体积法来离散化处理各个基本控 制方程，推导出关于三维稳态问题的离散方程，同时深入地介绍了c f d 的核心计算方法 ( s i m p l e 算法) ，基于s i m p l e 算法得出压力和速度的修正方程，接着对s i m p l e 算法的计算 流程作出总结，最后分析炉内空气的流动特性，引入了湍流模型，着重对本文所用的标准 七一s 模型以及壁面函数法进行阐述。 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 3 1 概述 第三章合金化均热炉计算中的网格划分 网格作为模拟和分析的载体，计算流体动力学模型的几何表达，网格的质量对c f d 的 计算效率和计算精度有着很重大的影响 4 0 。4 2 1 ，因此必须尽量关注网格的划分方法。一般网 格分为两大类：非结构网格和结构网格。节点有序的排列、相邻节点具有明确关系的网格 称为结构网格；而对于节点位置不能用固定法则来有序命名的网格称为非结构网格。 生成网格的方法一般可分为代数生成方法、双曲微分方程生成方法以及椭圆微分方程 方法三大类【3 0 ，4 3 ，4 4 1 。其中微分方程法的运用比较普遍，这种方法能够对各种不规则的边界 进行有效的处理。物体外形的复杂程度越高，就越难生成单域贴体坐标的计算网格，因此 在近年来非结构网格的划分方法以及新的分区结构网格生成方法逐步开始发展。生成结构 网格的方法中发展比较成熟的主要有两种【4 5 】：分区重叠网格方法与对接网格方法。 关于连续物理系统，例如合金化均热炉内气体的流动，一般是采用偏微分方程来对其 进行数学描述，能够对求解的区域进行网格划分是第二章提到的数值方法的基本条件。近 几十年网格划分技术正处于发展阶段，至今为止发展的比较成熟的是结构化网格技术，而 生成非结构化网格的技术还是处在一个逐步成熟的阶段【4 6 j 。 本章首先介绍了各种生成网格理论，并且使其应用在合金化均热炉上，之后对本研究 对象进行网格划分。 3 2 结构网格的生成 如果在计算区域内的各个边界和坐标轴是平行的，就可以认为这些区域都是规则区 域，对于这些规则的区域都能够方便快速的划分均匀的网格。不过在实际的工程上是不可 能存在这种规则区域的，所以就要根据数学方法来建立一种坐标系，该坐标系的坐标轴必 须与被计算区域内各个边界平行，这种构造的坐标系我们就称其为贴体坐标系。贴体坐标 系网格划分基本的思想可概述如下： 在x y 平面内假定有一个不规则区域，如图3 1 ( a ) 所示，为了构造坐标系，把这个区 域内的两个相交边界记作曲线坐标系上的两个轴，分别记为孝和7 7 。在4 个边上，可以定义 不同位置的孝和7 7 值，这样就认为孝一7 7 是另一个计算平面中的直角坐标系上的两个轴，在 计算平面中的求解区域就可以根据孝与7 7 的构造原则简化成为规则的矩形区域，定义其在 各个方向上节点总数之后，立刻就能够划分出分布均匀的网格，如图3 1 ( b ) 所示。只要x y 平面上的任意一点都能够在孝一刁平面上找到相应位置，就能够轻松地在物理平面上生成均 匀网格。这时生成贴体坐标的关键问题就是怎样去建立物理平面和计算平面之间的关系。 一般的贴体坐标生成方法主要有微分方程法【l 0 1 。 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 x ( a ) z 一少物理平面 l ( b ) 善一，7 计算平面 图3 1 贴体坐标示惹图 通过微分方程将物理平面转换为计算平面就是所谓的微分方程法。这种方法的本质就 是求解微分方程的边界值，是目前采用最为广泛的一种方法。在这种方法中，生成计算网 格可以采用抛物型和椭圆偏微分方程，用的比较多的椭圆型方程 1 0 1 。 假设在计算空间上有贴体坐标系是( 孝，刁，o ，物理空间上有直角坐标系是 ，y ，z ) ，利 用p o i s s o n 方程变换有如下关系式： l 乞+ 孝w + 乞= p ( 孝，刁，f ) 叩。+ 7 7 拶+ ，7 荔= q ( f ，7 ，f ) 公式( 3 1 ) i f 二+ f w + 乞= r ( 善，7 ，f ) 其中： f x = x ( 孝，刁，f ) y = y ( 孝，刁，f )公式( 3 2 ) lz = z ( 孝，7 ，f ) p ( 务编a 和q ( 己一叩，9 为控制函数或者原函数，是用来调节区域内部_ 韵风格的分布还有 网格的正交性。只要给定形式不同，得到的网格就可以不同。 在物理空间上，流动区域呈任何形状都可以通过上述变换方程转换成在贴体的坐标系 下的规则区域。在实际贴体坐标的变换过程中，一般是在计算坐标下先定义边界取值的方 式，再计算微分方程，最后在物理坐标下找出和计算坐标中的各个点对应的坐标值。一般 按如下的偏微分方程组进行求解： i x 菇+ 1 x 口口+ 乃z 暂+ 2 口2 x 勃+ 2 夕2 x w + 2 儿x g = 一，2 q f + q 戈”+ 戤f ) 口l j ，嚣+ l y 口_ + n y “+ 2 口2 y 初+ 2 夕2 y w + 2 儿y 营= 一，2 0 f + q y 口+ 足) ，f ) 公式( 3 3 ) 【口l z 髫+ l z 口口+ n z 舀+ 2 口2 z 勃+ 2 2 z w + 2 托z 菇= 一，2 q 乏善+ 缈_ + 尼f ) 上式中出现的j 为雅克比行列式： 武汉科技大学硕士学位论文 第2 3 页 ，=a ( z ，y ，z ) a ( 孝，刁，f ) ，口2 ，屈，2 ，乃，儿定义如下： 或分别定义为： 口，= 磊+ 以+ 旄 届= 露+ + 以 以= d 三+ 畦+ 蟊 甜2 = 面1 盔2 + d 1 2 畋2 + 盔3 d 2 3 厥= 破。盔。+ 以：以：+ 以。以。 儿= 如l 盔1 + 以2 面2 + 吃3 d 1 3 d l l2 y 口z f y f z 4 d 也2z q x ；一z x q d 1 32 x 口y f x f y 口 c 1 2 l2y ；z 一y z e d 2 22 z f x f z f x f c 1 2 3 2x y 一x y e a 3 、2y z q yq z d 3 22z 善石口一z ”x f d 3 32x y 口一x q y 如f 为构造p 、q 、r 的方法： lp 皓，7 ，f ) = p 口o g 弘_ 口”+ p ”1 留k _ 6 0 1 + p f 。g k _ 口f + p f 。( f k 由( 1 一f ) q g ，7 7 ，f ) = g 祁留弦”节+ g 。1 g k o 叩+ 鳃o g 弘一+ g f l 留一( 1 - 勤 公式( 3 4 ) lr 售，7 7 ，f ) = 勺。( f x 叫4 + ，( f x - ，u 呻+ 名。偌k 呻f + 名。( f x 一厂( 1 - f 上式中，口、6 、c 、g 、代表着从边界到内网格的源相的衰减速率，均为正实数，越小 表示衰减越慢，但是这样会造成收敛相对比较困难，取玎。：l 。 方程式( 3 3 ) 可按与求解常规椭圆型偏微分方程组一样的解法进行数值求解。在步长为1 的网格布置下，对方程式( 3 3 ) 做7 点的中心差分计算，就可得到线性方程组的迭代形式如下： 一+ l 一 p 一 2 ( 口l + 屈+ ，1 ) 口l ( x e + 砌) 十届( z + 石s ) + 乃( 研+ x b ) + 2 口2 x 勃+ 2 屈z w + 2 y 2 x 嚣+ ，2 g k f + 缈口+ 触f 为 y 多州2 芝南【口( y 占+ y 矽) + 展( y + y s ) + 所( j ，r + y b ) + 2 瑾2 y 勃+ 2 厥y ，蟛+ 2 儿y 嚣+ j 2 q 秒f +。+ 砂f ) 9 公式( 3 5 a ) 公式( 3 5 b ) 赡0 岛办磊 陬阢阮 = 第2 4 页武汉科技大学硕士学位论文 z ；+ 12 j 趸：高口t ( z 占+ z 矿) + 届( z + z s ) + 乃( z r + z 口) 公式( 3 5 c ) + 2 a 2 z ；q + 2 p 2 z ：七2 y 2 z 嚣+ j 1 z ；+ q z q + 弛w 然后计算离散线性方程组，一般是采用超松弛的迭代法来求解，计算出的物理坐标值 与计算坐标是对应的。比较麻烦的问题也随之出现，就是在采用求解方程式( 3 3 ) 来坐标变 换时，因为不规则的物理平面使计算时遇到了一些因为不规则边界产生的困难。所以可以 先划分好计算域上的网格，再在方程式( 3 2 ) 中求解坐标变换系数完成坐标转换【1 4 1 。 3 3 非结构网格的生成 非结构网格与结构网格不同，不能用固定的法则对节点的位置有序地命名；在计算一 些比较简单的流场时，是可以利用结构网格来构造出高精度的坐标网格，从而求解得出精 确的结果，但是对于那些复杂流场或外形，划分结构网格就不太实用，需要花费大量的人 力，人工手动划分网格所需的时间远远的大于了计算机工作的时间，在这种情况下，再划 分结构网格就不能发挥出计算机的优势了，对人力资源造成浪费。虽然结构网格生成技术 已经发展的相对成熟了，不过，随着待解决的问题越来越复杂，该如何划分结构网格对用 户要求也越来越高。 因此，在结构网格构造方法不能适应的地方，生成非结构网格的方法以其优异的几 何灵活性被广为运用，各种自动生成非结构网格的方法随之产生，其中阵面推进法和 d e l a 岫a y 方法运用最广【4 。m 9 1 。 3 3 1 生成非结构网格的d e l a u n a y 方法 d i r i c h l e t 于1 8 5 0 年提出一种理论，即用已知的点集把平面划分成凸多边形，在这个理 论的基础上产生了d e l a 眦y 三角化【1 4 5 0 j ，基本的思想为：如若平面内存在着点集纽 ， 七= 1 ，2 ， 那么将这个平面划分成一些。互不重叠的d i r i c l l l e t 子域慨 ， 七= 1 ，2 ，。每个点忍都有一个d i r i c l d e t 子域，在k 内足到任意点p 的距离是最短的， 其表达数学形式为圪= p ：l 户一足i 所 l 1 j ) l _ j 9 l u 1鲁 图4 5z = l o o m m 温度等值线图 武汉科技大学硕士学位论文 第3 5 页 一 t e m d e r a t u r e 3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 q 鱼堡q 鱼q q 垒塑 一1 5 0 01 0 0 05 0 0 05 0 01 0 0 0 15 0 0 x ( a ) 实验测试状态 5 0 0 0n 5 0 0 t e n l d e r a l u r e3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 r o o7 5 08 0 q 壁塑 x ( b ) 正常生产 图4 6j ，= 6 0 0 0 m m 温度等值线图 第3 6 页 武汉科技大学硕士学位论文 1 5 0 0 10 0 0 一s 9 005 0 c1 0 0 01 5 0 0 x ( a ) 实验测试状态 5 0 0 on 5 0 0 豳 ( b ) 正常生产 图4 7 尸1 2 0 0 0 m m 温度等值线图 武汉科技大学硕士学位论文 第3 7 页 一一一一实验测试状态 ，一正麓圭产 p o s i t i o n l m m l 图4 8 炉内固定段的空气温度分布对比 图4 9 为实验测试状态时乒o 和萨0 面的温度等值线图，从图中可以看出在带钢运动 方向上( y 方向) 的温度分布不够均匀，在尸6 0 0 0 n u n 和1 2 5 0 0 m m 处的温度最高。图4 1 0 为 合金化均热炉固定段在z = 0 平面上的温度曲线，在x = 8 0 0m m 的温度分布一致， x = 5 0 0 姗的温度分布一致，并且前者的温度比后者低，用数据说明了炉内温度呈横向 对称分布的，炉体中心处的温度高于靠近炉壁附近的温度大概将近4 0 k 。在萨( 一5 0 0 m m ， 5 0 0 m m ) 的范围内温度分布一致，说明在带钢宽度方向上的空气温度分布均匀。图4 1 0 中 的曲线均不够平滑，更直观地说明了在带钢运动方向上的空气温度分布不均匀，温差较大， 有两处( 尸8 7 0 0 m m 和1 6 0 0 0 m m ) 的温度很低，不考虑出口处的温度，最高温度和最低温度 之间相差1 5 0 k 左右。 第3 8 页武汉嗣嵌大学硕士学位论文 t e md e r a l u r e 8 0 0 7 7 6 0 7 4 0 7 2 0 7 0 0 6 8 0 6 6 0 6 4 0 6 2 0 6 0 0 5 5 6 0 5 4 0 5 2 0 5 0 0 4 8 0 4 6 0 4 4 0 4 2 0 4 d 0 3 3 6 0 3 4 0 3 2 0 3 0 0 s t 乱l c m p 甜蝎 ( a ) z = = o m m 了2 5 0 2 7 0 啦田2 6 7 舅“眨 6 蜘e 0 口 62 5 e + o | 2 6 d 瞻t 0 | 2 57 5 e 柚瞎 s b 棚眨 s 2 5 0 台 5 册峥0 e x t e md e r a l u r e 8 0 0 7 8 c ) 7 6 d 7 4 0 7 2 d 7 0 d 6 8 0 6 6 0 6 4 d 6 2 d 6 0 d 5 8 0 5 6 0 5 4 0 5 2 d 5 0 d 4 8 0 4 6 0 4 4 0 4 2 0 4 0 0 3 8 d 3 6 0 3 4 0 3 2 d 3 0 d ( b ) 炉o m m 图4 9 实验测试状态温度等值线图 1 5 0 0 0 - 蛳璺湖 。 钿8 e k 叫1 知明1 1 6 t 叫1 船叫2 e 2 知2 _ 2 钿 p o s t b n ( m m ) 图4 1 0 实验测试状态固定段温度分布 n 一 武汉科技大学硕士学位论文 第3 9 页 4 4 实验验证 为了研究合金化均热炉内温度分布，还需要测量一些参数。并且由于合金化均热炉的 传热模型采用了某些简化，和实际的传热过程还是有些偏差，因此需要实验来验证模型的 正确性。本节主要介绍合金化均热炉内空气的温度的测试，然后将测试结果与模拟结果进 行比较。 4 4 1 温度测试方案 测试对象为某冷轧厂镀锌线合金化均热炉，测试时带钢停止生产，炉内电加热器均打 开。主要测试信号有2 个测点，通过对温度传感器进行标定完成现场测试工作，然后对在 炉内相同高度位置的2 个测点温度取平均值，从而得到测试数据。现场测试装置如图4 11 所示。 _ ，一_ l 、 二乏刍乡 = 妄三 - 一r1 ， o 专= 尸 图4 1 1 温度场测试支架简图 现场工作方案如下： ( 1 ) 根据现场需要，传感器吊重为1 0 n 埘厚钢板，在钢板上装有卡扣，钩挂在带钢上， 使吊重沿带钢上下移动，避免吊重晃动过大。 ( 2 ) 由于电阻丝加热段电阻丝裸露在外侧，为避免传感器及附件与电阻丝发生接触， 将传感器与钢绳捆扎在一起，并在吊重及传感器与钢绳外包覆耐高温绝缘套管，外部用专 个u 第4 0 页武汉科技大学硕士学位论文 用扣件扎紧，在高温绝缘套管上每隔o 5 m 标定一次，钢板每下降0 5 m 记录一次传感器测 试的温度。 ( 3 ) 安排专人查看传感器进入加热段情况。 4 4 2 测试相关设备 测试相关装备如表4 3 所示。 表4 3 测试相关装备 设备名型号与规格生产厂商数量主要性能参数 称 铠装式 、r n k 1 3 6 江苏华清仪2 支 镍铬一镍硅，直径6 m m ，l = 8 0 m ，测 热电偶表有限公司量温度范围：0 1 3 0 0 ，基本误差 ( 含探 士1 5 或士0 2 5 t 头) 数显表 x m t a - 9 0 0 江苏华清仪2 台万能输入，输出范围4 2 0 i l a ，带直流 表有限公司电源输出 电流传 h d c l0 0 0 e k 南京中旭电2 个霍尔可拆卸电流传感器，测量电流范 感器子科技有限围0 2 0 0 0 a ，额定输出电压2 1 0 v ，响 公司应时间 7 微秒 双路稳 d h l 7 1 8 e 北京北京大1 台对称输出0 3 2 v ，o 2 a ，串联工作或 压流跟华电子集团串联跟踪工作时可输出o 6 4 v ，0 2 a 踪电源无线电仪器或o 士3 2 v ，0 2 a 的单极性或双极性 r 电源 防火绝搭扣式，管径安吉鸿泰绝1 卷长度8 0 m ，耐温范围4 0 至+ 2 6 0 ， 缘| ：套管1 2 m m缘材料有限短时1 2 0 0 ，耐压等级1 0 k v 公司 防火绝搭扣式，管径安吉鸿泰绝1 卷长度6 m ，耐温范围- 4 0 至+ 2 6 0 ， 缘套管 1 4 0 m m 缘材料有限短时1 2 0 0 ，耐压等级1 0 i 公司 锁紧扣 1 0 撑 安吉鸿泰绝1 6 0 个 用于锁紧矽1 2 历所以上管径 缘材料有限 公司 绝缘靴 2 5 k v 天津双安防1 0 套绝缘电压2 5 k v 绝缘手护用品供销 套有限公司 信号采 5 1 6 e1 6 - b i t i ot e c h 公司1 套 5 1 6 e1 6 - b i t1 n zd a t aa c q u i s i t i o n 集系统 1 n 王z s y s t 锄w i 也e 也e m e ti n t e 如c e 武汉科技大学硕士学位论文 第4 l 页 4 4 3 测试结果 本次测试为沿炉内不同位置的一系列温度值，相比操作室仪表显示的单点温度值( 每个 炉段区域仅测量一点的温度值) ，更能反映炉内的真实温度场分布情况，表4 4 为现场实测 温度值，炉内温度分布如图4 1 2 所示。 表4 4 实测温度 序号时间位置 温度( ) 1 1 5 ：1 3 2 01 3 3 2 1 5 ：2 0 2 12 0 2 3 1 5 ：2 2 2 1 52 2 0 4 1 5 ：3 0 2 2 52 8 0 5 1 5 ：3 52 33 3 9 6 1 5 ：3 6 2 3 53 5 0 7 1 5 ：3 9 2 43 6 0 8 1 5 ：4 1 2 4 53 7 6 9 1 5 ：4 3 2 53 7 5 1 0 1 5 ：4 5 2 5 53 7 2 l1 1 5 ：4 9 2 64 0 3 1 2 1 5 ：5 3 2 6 5 3 8 6 1 3 1 5 ：5 5 2 73 8 1 1 4 1 5 ：5 82 7 54 0 0 1 5 1 6 ：0 1 2 83 8 5 1 6 1 6 ：0 32 8 5 3 7 5 1 7 1 6 ：0 6 2 93 8 6 1 8 1 6 ：1 02 9 5 3 6 3 1 9 1 6 ：1 4 3 03 6 4 2 0 1 6 ：1 7 3 0 53 7 0 序号时间位置 温度( ) 2 1 1 6 ：2 1 3 13 2 9 2 2 1 6 ：2 4 3 1 53 1 0 2 3 1 6 ：2 7 3 23 0 l 2 4 1 6 ：3 1 3 2 53 2 1 2 5 1 6 ：3 5 3 33 6 6 2 6 1 6 ：3 9 3 3 + 53 8 2 2 7 1 6 ：4 2 3 43 8 1 2 8 1 6 ：4 6 3 4 53 6 6 2 9 1 6 ：5 8 3 53 9 9 3 0 1 7 ：0 2 3 5 53 9 9 3 1 1 7 ：0 6 3 63 9 7 3 2 1 7 ：1 0 3 6 54 0 3 3 3 1 7 ：1 3 3 73 8 6 3 41 7 ：1 7 3 7 53 7 0 3 5 1 7 ：2 2 3 83 1 0 3 6 1 7 ：2 6 3 8 53 7 7 3 7 1 7 ：3 1 3 94 0 l 3 81 7 ：3 5 3 9 54 3 6 3 9 1 7 ：3 9 4 04 5 0 4 0 1 7 ：4 3 4 0 54 6 6 第4 2 页武汉科技大学硕士学位论文 翳 j 螽商l 一 _ 嚣 一 吣 1 一f 蒜i 埘 ll ：剀： i 1 过 口 p 一亩、l l _ 嚣 - 一 圆 厕 i 宙备f - j 一 1 蚪 i1 r 仞 j 矗君、l 。 _ 蛩 一 爵 = d 1 订喑f 剖 蒜l 卜斟：i 仁：k 一 蚪 f 一- 3岛，早_ 毒 n ， 2 2 0 ，s n 3 3 9 1 工 3 5 0 j s 0 1 7 6 3 7 5 j 7 2 4 0 3 3 8 6 j 8 1 4 0 0j 3 s 5 j 7 5 豫6j 3 6 3 0 ! ? 01 3 2 9， - n， j 跚 一 3 3 1 3 6 6j 3 s 2 。 3 8 1 ，6 6 1 3 9 9 j z 0 7j 4 0 3 j 8 8 3 7 0 j l