基于流量分配均勻性的集箱設(shè)計(jì)探究

劉興發(fā)　皮興紅　李奎　蔣超

摘要：集箱是熱軋帶鋼冷卻系統(tǒng)的重要裝置，其流量分配均勻性是影響鋼板性能的重要因素。為了提高集箱支管流量分布均勻性，本文結(jié)合理論分析對(duì)集箱內(nèi)的阻力系數(shù)、壓力分布規(guī)律、支管流量分布均勻性系數(shù)進(jìn)行了研究，采用分段設(shè)計(jì)方式對(duì)不同段支管內(nèi)的節(jié)流孔板進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過數(shù)值模擬對(duì)各支管分配流量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用不等直徑節(jié)流孔板能更好的提高集箱分配流量均勻性，有利于提高軋線冷卻系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：集箱;壓力分布規(guī)律;流量分布均勻性;節(jié)流孔板

0? 引言

熱軋帶鋼快速冷卻系統(tǒng)通過控制板帶軋后溫度，能有效改善鋼板的機(jī)械性能，提高鋼板強(qiáng)度。而層流冷卻裝置是快速冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，各噴嘴流量分布均勻性是精確控制帶鋼冷卻溫度的關(guān)鍵因素。因此，針對(duì)層流冷卻裝置的量分配進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算具有重要意義[1-2]。

層流冷卻裝置通過控制集箱的壓力分布來控制各噴嘴的流量均勻性。張潤(rùn)來等采用fluent對(duì)U型和Z型兩種管組分布模型進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)總管與支管的截面積比值對(duì)管組流動(dòng)均勻性有較大影響，減小集箱入口速度能提高支管流量均勻性[3]。羅永浩等建立了并聯(lián)管路系統(tǒng)的流量分配模型，但模型忽略了流體進(jìn)、出支管時(shí)控制體損失的動(dòng)量[4]。朱玉琴總結(jié)了管組流量分配的計(jì)算方法，并分析了集箱中的摩擦系數(shù)和動(dòng)量交換系數(shù)等相關(guān)參數(shù)[5]。楊元龍對(duì)采用數(shù)值模擬方法研究節(jié)流孔板流域的壓降特性、湍流結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并基于阻塞壓差的理論設(shè)計(jì)方法，對(duì)節(jié)流孔板的孔徑、級(jí)數(shù)和厚度進(jìn)行了計(jì)算[6]。

本文結(jié)合理論計(jì)算與流場(chǎng)仿真分析方法對(duì)集箱壓力分布進(jìn)行了分析，并基于集箱壓力分布規(guī)律及分段設(shè)計(jì)思想，對(duì)各段支管內(nèi)的節(jié)流孔板孔口直徑進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1? 集箱設(shè)計(jì)理論

層流冷卻的水從高位水箱通過管路流出，由進(jìn)檢修閥，調(diào)節(jié)閥，流量計(jì)、快速關(guān)斷閥，進(jìn)入進(jìn)水分配裝置，通過上集箱的分配支管流出，到達(dá)板帶上表面進(jìn)行冷卻。上集箱的水流直接決定板帶的冷卻速度、強(qiáng)度、表面質(zhì)量，其要求上集箱出來的水流均勻、穩(wěn)定、流量準(zhǔn)確，它是整個(gè)層流冷卻裝置最關(guān)鍵核心設(shè)備。上集箱采用雙排支管，分別布置兩邊的結(jié)構(gòu)，水流進(jìn)入集箱內(nèi)，通過節(jié)流孔板及支管流出，到達(dá)板帶表面進(jìn)行冷卻。（圖1）

1.1 集箱內(nèi)壓力分布規(guī)律

根據(jù)流體力學(xué)伯努利原理，集箱的入口處的流速快，壓力低，到了集箱的另一末端，速度逐步降為0，壓力升高[7]。從集箱入口到另一末端，壓力逐漸升高。因此采用變質(zhì)量動(dòng)量方程求解其沿軸向的壓力分布。在上集箱上取一微元段dx，對(duì)微元dx的控制體進(jìn)行動(dòng)量守恒得：

式中：Vx為由于集箱中流體不垂直進(jìn)入支管而產(chǎn)生的軸向分速度，m/s;D為集箱直徑，m;λ為集箱內(nèi)流體摩擦系數(shù)。

設(shè)Vx=CfV，Cf稱為動(dòng)量交換系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，我國(guó)電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算時(shí)取Cf=1.24[8]。

實(shí)際使用中要求各支管流量分配均勻，且支管間間距較小，左右兩排呈交叉分布，集箱內(nèi)流體可以近似為均勻分布，故假設(shè)集箱內(nèi)流速按線性分布，即：

式中，V0為集箱中最大流速，即入口處流速，m/s;x為距進(jìn)口距離，m;L為集箱總長(zhǎng)，m。

因此，由上述假定可得到集箱中的壓力分布，而沿集箱軸向不同位置處的壓力Eu可由式（3）求得：

式中，λ為集箱摩擦阻力系數(shù);p0為集箱入口壓力;p為沿集箱軸向的壓力分布，V0為集箱中最大流速，即入口處流速。其中p0可由伯努利方程求得，取水箱液面與集箱入口斷面建立方程如式（4）所示：

式中：z1，z0分別為水箱水位與上集箱安裝高程，單位m;p1水箱液面壓力;hw為水箱液面至集箱入口斷面的管道沿程水頭損失，詳細(xì)計(jì)算見文獻(xiàn)[9]。

1.2 阻力系數(shù)

由于支管總數(shù)為n，支管直徑d與集箱直徑D之比d/D和孔間距s較小，面積比nd2/（4DL）也較小，支管進(jìn)口射流造成的粗糙峰引起的摩阻增加導(dǎo)致的壓力損失可忽略 不計(jì)。另一方面，在多孔集箱中下個(gè)分支點(diǎn)的來流是上個(gè)分支點(diǎn)的出流，而集箱內(nèi)流體流入支管時(shí)，由于流體分流使邊界層破壞不能充分發(fā)展造成摩擦阻力減小，故各分支點(diǎn)的摩擦系數(shù)都會(huì)有所下降。因此，由上述兩種原因，導(dǎo)致的多孔管摩擦系數(shù)可以近似認(rèn)為與光滑管相同。

光滑管的摩擦系數(shù)需根據(jù)管內(nèi)雷諾數(shù)Re進(jìn)行計(jì)算：

邊界雷諾數(shù)：

式中：Δ為鋼管常見粗糙度，0.03-0.07。

一般管道流動(dòng)處于湍流水力光滑區(qū)，即4000>Re105時(shí)，？姿=0.0032+0.221/Re0.237。

1.3 節(jié)流孔板

由于集箱入口處壓力低于集箱端部的壓力，若采用相同的直徑的節(jié)流孔板，就可造成集箱的出水量分布不均勻，造成板帶的溫降不均勻，影響板帶重量。

若忽略支管進(jìn)口節(jié)流孔板處的局部損失，流體沿集箱軸線方向的壓力分布幾乎等于各支管進(jìn)口節(jié)流孔板處的壓力，流體在支管中流動(dòng)的動(dòng)力為管路兩端的壓差，即支管進(jìn)口節(jié)流孔板處壓力p（集箱內(nèi)對(duì)應(yīng)位置處壓力）與出口大氣壓之間的壓差。因此節(jié)流孔板孔徑可按下式計(jì)算[13]：

式中：Dk為節(jié)流孔板的孔徑，mm;G為通過孔板的流量，t/h;ρ為介質(zhì)密度，kg/m3;ΔP為孔板前后壓差，MPa。

1.4 流量均勻性系數(shù)

根據(jù)孔口出流公式：

式中：μ為流量系數(shù)，根據(jù)水動(dòng)力學(xué)，薄壁管口出流取0.61。

流量分配系數(shù)：采用流量分配系數(shù)Kqi對(duì)集箱中各支管的流量分配均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：Qi為單根支管實(shí)際的體積流量，m3/s;Qmean為支管體積流量的平均值，m3/s。

2? 結(jié)果驗(yàn)證

采用六面體網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)節(jié)流孔板處進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量為200萬。集箱進(jìn)口為壓力進(jìn)口，為26.6667m3/h，出口為大氣壓，模型采用k-e RNG模型[10]。支管流量分布系數(shù)如圖2所示。

由圖2可知，集箱中流線分布不紊亂，介質(zhì)流動(dòng)速度隨距進(jìn)口距離增大而逐漸減小，各支管介質(zhì)流動(dòng)速度較大于集箱中流動(dòng)速度。集箱中壓力隨距進(jìn)口距離增大而逐漸增大，因此若采用等直徑的節(jié)流孔板，則流量分布不均勻性系數(shù)變化較大，靠近進(jìn)口部位支管的流量將偏小，尾部支管的流量將偏大，這對(duì)冷卻系統(tǒng)性能造成不利影響。而采用分段計(jì)算節(jié)流孔板直徑的方式能大大提高流量分布均勻性系數(shù)，提高冷卻裝置性能，改善軋線鋼板質(zhì)量。

3? 總結(jié)

通過理論分析集箱內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)，壓力分布規(guī)律，并采用分段設(shè)計(jì)的方法計(jì)算節(jié)流孔板直徑，大大提高了熱軋帶鋼快速冷卻系統(tǒng)流量分布均勻性系數(shù)，有利于更精確控制板帶軋后溫度，有效改善鋼板質(zhì)量。

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