棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析.docx

1、第29卷第4期2007年11月Vol.29No.4Nov.2007河北理工大学学报(自然科学版)JournalofHebeiPolytechnicUniversity(NaturalScienceEdition)文章编号:1674-0262(2007)04-0047-06棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析任吉堂，成慧梅（河北理工大学院冶金与能源学院，河北唐山063009）关健词：穿水冷却；速度场；数学模型摘要：对棒材穿水冷却装笠中冷却管的结构进行了分析，并对其中流体的流态进行了讨论,从理论上计算和解决了冷却介质在冷却管中运动时的速度场问题，给出了不同区域内速度的分布形式，从而为棒材穿水阻力的计

2、算提供了一个基础和前提条件。中图分类号:TG302文献标识码:A0引言热轧棒线材在线穿水冷却是控制、改善和提高棒线材组织性能的有效手段，也是现代化热轧棒线材生产线必需的工艺设备。目前，在穿水冷却工艺的研究中，既要解决棒材在穿水过程中所受的阻力问题,又要解决穿水冷却设备中的传热问题，而确定冷却器中冷却介质的流速场是计算这些问题的基础条件和前提条件之一，因此研究和解析冷却介质在穿水设备中的流速场问题已成为必然。只有很好地解决了这个问题，才能准确地预报在穿水设备中棒材所受的阻力，解决棒材的堆钢问题，为棒材的生产提高市场竞争力，同时也带来巨大的社会效益和经济效益。1棒材穿水冷却装置的结构流体在冷却管内

3、的流动状态决定了轧件与冷却介质的热交换强度。本论文研究的冷却装置中的冷却管结构如图1所示，图1给出的冷却管内设置了多个紊流套，每个紊流套之间用内径较大的等内径管作为定位套,构成稳态流动条件。冷却水通过喷嘴进入一连串的索流套时，除沿棒材轴向高速流动外，由于截面的变化，造成压力的变化，在棒材垂直表面上也有较剧烈的搅动。水流的两种运动的结合,保证得到了较大而冷却能力，同时也保证了整个截面冷却的均匀性。收稿日期：2006-09-232冷却管结构分析流体在冷却管内流动状态决定了轧件与冷却介质的热交换强度。图2所示了冷却管内通流截面面积沿管子长度变化趋势对流体流动态的影响。Oft管Oft管图2假设的管内径

4、变化与流体流态的关系亲”竺兰兰遮层海状志分析可知，假设流体在等直径管内作层流状态流动，当其进入具有收缩形状部分的时候,流体不会改变其流动状态，但是按着流体运动的连续性条件可知，流体会产生加速流动。当流体进入突然扩大的内径段时候，流体流态将如图2右段所表示的状态，即由层流状态变为了紊流状态。这种状态加大了流体与轧件的换热强度。3流速场的解析3.1层流流动的分析假设流体在等直径管中运动时作层流流动。设圆管的半径为流体流速为u(r)o选取与圆管同轴线、半径为r的圆柱体作为流束来考虑。由于流束表面的摩擦切应力7大小不变，流束的水力半径&二成,应用均匀流的基本方程可以得到:其中：p流体的密度,k

5、g/m>4g流体的重力加速度,N/kg；J水力坡度,J=h/l(m)。而在圆管中作层流运动的流层之间的摩擦切应力t符合牛顿摩擦定律t=/xdu/dyo假设y是流层到边壁的距离，即y=r0-rt有：duduT="石=-万将上面(1)(2)两式联解，消去T，得:(3)即：du=由于物性参数”(运动粘性系数)是常数，过水断面上各点的水力坡度J相同，故对上式积分得到:u=_样-°4v当r=r0时,粘附在边壁上的流速u=0,由此边界条件得到任吉堂，等:棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析任吉堂，等:棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析49代回上式,得到断面上的流速分布式：(6)&q

6、uot;斜-，)它表明流速在圆管断面的r方向上按抛物线分布。如下图3所示。图3圆管内层流流速分布剖面(7)(9)根据式(6),容易得到圆管轴中心处为断面最大流速:%，=-V0和断面平均流速：”=HudA=却:敦*-，)(2g)=斜断面流量：Q=由=S比较式(8)与式(9),得：1即圆管层流流动的断面平均流速是断面最大流速的一半。3.2层流进口起始段层流时圆管断面上的速度分布为抛物面，这个规律并不是刚入管口就能立刻形成，而是要经过一段距离,这段距离称为进口起始段。之后，速度按抛物面规律分布,称为完全扩展一段。图4进口起始段的流速场如图4所示，如果流体从一大容器流入管道，则进口断面处流速是均匀的。

7、由于粘性，在管壁处的流体粘附在管道壁面上，速度为零。随着离开管壁的距离的增大，壁面对流体的影响减弱，流速将很快增大，至一定距离处,就接近原来未受管壁扰动的速度。因此，速度改变现象只发生在紧邻管壁很薄的流层内，这个薄层8称为边界层或附面层。附面层沿着流动方向逐渐向管轴扩展。在附面层内流速向管壁递减为零，根据连续性原理,附面层内流速的减小，必将使中部的流速增加。因此，沿流速方向的各断面上速度分布已不断改变。假设在离进口处距离为，的断面上，附面层已经基本上扩展至管轴，这个断面中心处最大流速已等于完全扩展段断面上最大流速的98%-99%,可以认为该断面的流动基本上已完全扩展。从进口处至距，离就是起始段

8、长度。层流时起始段长度，较大，/,«0.058dReo3.3紊流流动的分析当流体其进入具有收缩形状部分的时候，由于对冷却管的结构,不会改变其流动状态，但是按着流体运动的连续性条件可知，流体会产生加速流动。当流体进入突然扩大的内径段时候，流体流态将由层流状态过渡变为了流状态紊。紊流是一种流态,即使是紊流流动中也并不是整个流场都是紊流。由于流体具有粘性,紧贴管壁的流体质点将粘附在固体壁面上，流速为零，满足无滑移条件，使得在紧靠壁面很薄的流层内,速度由零很快增至一定值，在这一薄层内,流速梯度很大，因而粘性切应力也很大，而且壁面对这一薄层内的流体质点间掺混也起限制作用。因此，在紧靠固体壁面处

9、存在厚度极薄的层流层,称为层流底层或粘性底层。在层流底层之外,还有一层很薄的过渡层,在此之外才是紊流层，称为紊流核心区。(1)层流底层对于圆管素流，其层流底层的速度分布应满足(6),即：u=敦2-，)=敦rj-(r0-y)2=敦。-y)(10)由于层流底层很薄，故有y<<r。、于是上式可近似写成=叛(11)由t=pgRJ知边壁切应力应为t=pg-J,故：(12a)(126)(13)Tou=或无址纲化为:u由式(12)可见，在层流底层中,速度分布近似为直线分布。实验研究表明，粘性底层的厚度8。能够表示成：.32.8d8。=Re/K式中；d圆管直径；Re流动雷诺数,底=乎；A沿程阻力系

10、数。(2)素流核心区圆管紊流分为层流底层、过渡区与紊流核心区三个流层。在求断面速度分布时，过渡区一般归入紊流核心区。在紊流充分发展的紊流核心区,粘性切应力可以忽略，切应力取决于雷诺切应力，因此r=p/2(J)r2(14)为了积分求出速度分布，必须满足T、y与1的关系。由均匀流的基本方程可知：(15)丁=丁0：=丁0(1-X)roro根据卡门及尼古拉兹实验结果，混合长为:任吉堂，等:棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析51(16)式中：K卡门通用常数,K=0.4。由上述3式（14）、（15）、（16）可得:(17)所以:1后(18)积分上式，得u=rny+CK式中:C积分常数（需要用实验方法来确定

11、）;“阻力速度，U.=V/A/8O对于水力光滑管，利用层流底层外缘流速的连续性条件,假设在y=8。处u=%,由式（18）得到:C=Ub-n80又由式（12）得:yvub_2丁0将C、6°代回式（18）,并无址纲化，得U111ub1u.*KvKuu9Kv根据尼古拉兹的实验结果,上式中的无量纲常数C=5.5。因此，水力光滑管的紊流对数流速分布为:(19)=2.51n+5.5u.v(20)由试验得出，紊流速度分布除用上述对数形式表示外，常可近似地用指数方程表示，即：式中:“皿ron0图5光滑管内紊流流速分布剖面管轴处最大流速；Re4xlO32.3x01.1xlO5、1.1xlO62.0x1

12、063.2x106n6.06.67.08.810.010.0-圆管半径；指数（随雷诺数的增大而增大双的取值见表1）o表1流速指数分布的几值如图5所示，在光滑管内紊流核心区流速的指数分布形式。紊流时由于流体质点的混杂，断面流速分布较均匀，起始段长度较小,4=30d,影响也小，一般情况下可以忽略不计。4对计算结果的分析与应用本文用(6).(12)和(19)三式确定了冷却管中不同区域内的流速场分布形式。对一钢筋轧后穿水冷却过程中的冷却管内流速场的分布进行了ANSYS模拟，图6即为模拟出的结果,它与本文理论分析得到的流速场分布基本上是一致的。大小沿就方函«增加图6轴向速度场的分析而棒材与冷却

13、介质之间存在相对运动，将坐标固定在物体上来研究这些运动，则都成为物体静止流体运动的绕流运动形式。当运动的粘性流体流过一物体时,大址实验表明，整个流场分成两个速度分布特征明显不同的区域。在靠近物体表面附近的流动区域1和其外面的流动区域2。区域1是速度从物体表面处的零值经过一段很短的法向距离就变成物体外面的势流速度值。区域2的粘性作用很小，因而忽略其作用而将流体当作理想的来处理，所造成的速度分布的误差不会很大,因此可以用上述的计算公式来进行计算。流动区域1的速度分布可以参考层流底层的流速分布计算。因此,在棒材的穿水过程中，采用本文给出的流速场分布以及流速场的理论计算数学模型，我们可以用来模拟棒材穿

14、水冷却过程中的阻力问题，进而控制棒材在轧制过程中堆钢事故的发生。5总结本文主要研究了冷却介质在穿水设备中的流速场问题，从理论上分析和解决了流体流动过程中在冷却管不同区域内的流速场分布，所得的理论结果与计算机模拟出来的结果符合地比较好,从而为以后穿水冷却工艺中各种问题的解决提供了一个很好的基础和前提条件。参考文献：1 任吉堂，徐树成，等.一种新型的热轧棒线强力穿水冷却装KJ.钢佚,2003,38(3)：5760.2 高学平.高等流体力学M.天津:天津大学出版社,2005.3 (丹麦).Sv.Aa哈瓦尔特.高等学校教材:船舶阻力与推进M.大连:大连理工大学出版社,1989.TheoreticalResolutionofBarinWaterCoolingProcessRENJi-tang,CHENGHui-mei(CollegeofMetallurgyandEnergyHebei,PolytechnicUniversity,TangshanHebei063009,China)Keywords:watercooling；velo