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嘛砑而i 些E R R O U SM E T A L S E N G I N E E R I N G d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .2 0 9 5 - 1 7 4 4 .2 0 1 3 .0 1 .0 0 8 机械强制通风条件下料卷冷却室冷却效果 圜崔文1 王国勇1 杨春辉2 1 .洛阳理工学院计算机与信息工程系河南洛阳4 7 1 0 2 3 2 .中色科技股份有限公司河南洛阳4 7 1 0 0 1 摘要针对机械强通风铝板带料卷冷却室内空气流场,采用标准肛s 模型对稳定冷却状态时铝板带料卷温度变 化进行数值模拟。分析流道结构对铝板带料卷冷却的影响,模拟结果与实验结果基本吻合。 关键词铝板带;冷却室;计算流体动力学;数值模拟 中图分类号T P 3 9 1 .9 ;T K 2 8 4 文献标志码A 文章编号2 0 9 5 - 1 7 4 4 2 0 1 3 0 1 - 0 0 4 0 - 0 4 制料卷材的冷却是大型铜铝板带箔材加工厂工程设 计和工厂生产管理的难题,难点在于为保障料卷性能不 能使用冲水冷却等其他方式。在南山热轧卷库项目设计 中首次采用引入室外新风对高温料卷强制吹风冷却的方 式,由于通风冷却室的设计缺乏冷却效果的计算公式或 经验公式及准确冷却曲线,因此要取得合适的流场,必 须对铝板带料卷冷却室的气体流场进行相应的研究⋯。 料卷冷却室设计相关文献少,相关的仿真模型也缺 乏针对性。针对制料卷材的冷却室流场设计,对冷却室 中的气体流场进行建模及数值模拟仿真,结合试验结果 对料卷冷却室的设计及改进提供理论依据。 1 计算模型 铝板带料卷冷却时,风机将冷却空气经风道从条缝 风口射入箱体,与料卷进行热交换后从出风口排出,铝 板带料卷冷却室结构如图1 所示,冷却室最多可放置4 料卷套筒 图1 冷却室结构 造成的能量耗散,气体流动应符合质量守恒方程和动量 守恒方程;3 出风口静压箱体为绝热表面。 对于不可压流体的运动,流体流动要受质量守恒定 律、动量守恒定律和能量守恒定律的支配”】,它们的雷 诺时均方程式 1 至式 3 所示,式中U 。分别代表直角 坐标系下瞬时速度的三个分量;P 为密度;t 为时间;Ⅳ 为动力黏度;P 为压力;r 为温度;k 为传热系数;c 。为 比热容;s 为广义源项。 个料卷,研究放入3 卷不同尺寸料卷时的情况。 由于在冷却过程中使用气体介质,料卷的温度鸷船w 。n 是料卷与周围空气之间辐射、对流和传导的热传递结果Ⅲ。 对冷却过程中的流场进行稳态分析,在建模时对流体有 以下假设1 气体为理想气体,恒定的牛顿流体 即速 度梯度变化时,动力黏度不变 ;2 在冷却时,要求气体 的流动呈湍流状态,忽略工作介质的温度变化以及温差 o u /o x T O 1 p o u i /o t i p o u ,u j l o x 。叫。2 u /o x 7 - o p l o x , - S , 2 p o T /o t p o u 。T l o x T k /c p ’/.t 0 2 T /o x j 2 品 3 值得说明的是在z 方向动量方程的源项£中包括浮 收稿日期2 0 1 2 1 2 0 3 作者简介崔文 1 9 件 ,男,河南洛阳市人,讲师,硕士,主 要从事计算机网络安全和系统仿真等方面的研究。 4 0 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 升力项,采用B o u s s i n e s q 假设,将流体密度视为常数。在 动量方程中,二阶关联项一p u 。7 U i7 也称雷诺应力或湍 流应力,它代表脉动速度对时均流动的影响。雷诺应力 项的出现,导致雷诺时均方程不封闭。为了使之封闭,必 须将雷诺应力项模型化,工程实际中常用的是湍流涡黏 性系数模型。如取湍动能K 和湍能耗散率s 的传输方程, 就构成了应用广泛的K - e 方程模型。K - c 模型主要有3 种 形式,标准K - e 模型、R N G K - e 模型和R e a l i z a b l e K - E 模型。 R e a l i z a b l eK - e 模型在处理高应变率及收敛性等许多方面 均优于其他两个模型,所以采用R e a l i z a b l eK - e 模型对雷 诺时均方程求解”。6J 。 在能量方程的源项品中包括了辐射热量,由D O 辐 射模型求得。D O 模型的主要思想是对辐射强度的方向 变化进行离散,通过求解覆盖整个4 丌空间角的一套离 散方向上的辐射输运方程而得到问题的解”1 。空间中某 一位置的4 丌空间角的每个象限被分割成N O №个辐 射立体角方向,日和妒分别为经/纬度角。有多少个立体 角方向,D O 模型就求解多少个输运方程。立体角的离散 精度决定求解的精度,但是,增加立体角的精度会使计 算量急剧增加。 2 模拟计算与结果分析 采用C F D 软件F L U E N T 进行数值计算,研究对象 为箱体、进出风E 1 和料卷组成的区域,如图2 所示。湍 流模型采用R e a l i z a b l eK - e 湍流模型,近壁区采用标准壁 面函数法处理。为考虑温差引起的浮升力的影响,采用 B o u s s i n e s q 假设。采用定热流边界条件,入口处的逐时温 度作为进风口温度,出风E l 处的静压约为0 .6k P a ,进风 口设为速度入口,出风口设为压力出口。 卜J 掣 也N // 采用混合网格技术,使用四面体和六面体网格。结 构化网格占网格总数的7 0 .7 2 %,图3 显示了对称断面处 的网格分布。这种网格划分方法可以减少节点,节省计 算时间,同时保证主流计算区域的计算精度。 通过在计算域中建立纵剖面,可以计算冷却室的轴 面速度并将结果利用速度矢量图表示,可以直观地展示 流场的特征,图4 显示在冷却室四个料卷断面风速矢量 的状态。 ◇◇ z b 图3 对称断面网格分布图 \ 口 猢 r ◆拳 簿留 图4 冷却室内风速矢量图 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期4 1 ~寨~ 万方数据 I 看么金磊工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 总的看来,在冷却室中各料卷截面流场速度呈现明 显的循环流动趋势,速度由入E l 到出口逐渐增加,在出 口达到最大值。然而,速度的大小在同一断面上并不是 均匀分布的,在料卷中心速度最小。从细节方面来看,由 于气流的循环运动,冷却室内流场的压力分布具有较好 的周期性分布规律。图4 显示出了明显的层状分布特性, 即从中心到外,压力逐渐增大,在靠近最外处达到最大。 左右风1 3 形成的射流在箱体中心线附近相互抵消,为冷 却的较薄弱环节,如果将左右两侧风1 3 错位布置,将增 加此区域的扰流,可提高冷却效率。 3 模拟仿真结果验证 为了与实验结果进行比对分析,以1 5m i n 为时间 步长,分别对冷却室中顺序放置三个料卷 料卷尺寸见 表1 进行了数值模拟计算。由于实验台上风机功率为4 8 k W ,运行时风道断面平均风速为1 7 .5r r g s ,断面处的风 量约为1 0 00 0 0m 3 /h ,条缝进风口处 进风I l 速度 的风 速约为1 0m /s ,在计算得到的速度场和压力场的基础上, 通过后处理计算得到三个料卷的模拟冷却过程中逐时温 度,温度曲线如图6 所示,得到降温速度见表2 ,得到出 风口温度等绘制出图7 。 表1 料卷尺寸 /m m p 2 0 划 鸡 1 0 O 实验测试方法是分别在冷却室内中三个料卷的侧面 靠近套筒处、靠近卷边缘处和板面中心处设置温度测点 在冷却室左右风道直管段的侧面选取截面,在每个测量 断面上选取了3 0 个测点,见图5 。每1 5m i n 测量风机入 口温度、条缝进风口风速和箱体出风口静压、温度,绘制 出实验冷却曲线,如图6 所示,冷却速度等参数汇总于 表2 ,得到进出口温度如图7 所示。 冷却室可将冷却时间控制在8 ~1 0h ,而传统自然冷 图5 冷却室温度测量断面 时间/h 图6 一个料卷至三个料卷实验和模拟冷却曲线 时间/h 图7 进出风I 1 温度曲线 却需要两天左右时间,这样大大缩短了冷却时间,提高 了冷却效率,可有效解决传统自然冷却方法生产周期长, 占用流动资金多,需要原料堆场面积大的问题。由图6 可 知,实验和模拟的冷却曲线拟合较好,说明此模型适用 于此冷却室的数值模拟,可利用此模型改进和优化冷却 室的结构或预测冷却时间。 4 结论 冷却过程中,冷却室气体流场设计合理,才能保证 加工过程中气体流动稳定、均匀,使降温效率符合设计 4 2 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 雨雠%一m“B丽虿 皴一一℃一mm m一一一℃一;刍舛蛇~一一一她们们一聆泐℃一拟弼螂孽臻 万方数据 要求。通过流体动力学数值模拟及实验验证可知,利用 数值模拟结果作为理论指导来设计合理的冷却流道是可 行的。 在设计冷却流场时必须考虑从数值模拟结果知进 出口温差逐渐减小,说明冷却效率降低,应通过增加空 气扰动的方法提高换热效率;在箱体中心线处左右风口 形成的射流附近相互抵消,气流速较低且有一定影响范 围,因此将左右风1 2 1 错位布置,将增加此区域的扰流,保 证冷却区域均有流速均匀的冷却气体,可提高冷却效率。 参考文献 [ 1 ] C u iW e n ,Y a n gC h u n h u i .R e s e a r c ho nE f f e c to fC o o l i n g w i t hAk i n do fC o o l i n gC h a m b e rf o rA l u m i n a mM a t e r i a l C o i lB a s e do nC F D [ C ] //I C C S E E .H a n g z h o u ,C h i n a X i 。a n T e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y , 2 0 1 2 7 3 7 6 . 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