基于ANSYS Fluent的層流冷卻系統下集管設計仿真分析

聞成才 王龍濤 姚威 何春雨 張立杰 宋博瀚

（1：馬鞍山鋼鐵股份有限公司四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243003；2：北京科技大學設計研究院有限公司 北京 100083）

1 前言

層流冷卻系統作為控制軋制和控制冷卻的一個組成部分，直接影響帶鋼的組織和性能，所以層流冷卻過程是熱軋生產過程中非常重要的環節［1］。下集管是層流冷卻系統中不可或缺的設備，集管結構的設計直接影響水的均勻性和水的流速，從而影響帶鋼表面溫差，冷卻能力和金相組織，同時水流在集管中流動，流動的路徑、管道阻力及產生的旋流等對冷卻效果具有重大影響［2］，因此對下集管結構和流體分析具有重要的意義。本文采用ANSYSfluent對下集管噴水均勻性進行仿真分析。

2 下集管概況

下集管通過氣動開閉閥、氣動調節閥、流量計、過濾器和手閥與高位水箱進行連接。其組建的層流冷卻系統具有冷卻能力強，流量可調的特點，這樣就可以根據鋼種、尺寸規格以及卷取溫度的要求來設定工作集管數、調節各組集管流量和上下集管流量比來控制鋼板的冷卻過程，以滿足鋼板性能要求［3］。下集管采用三排噴嘴，入口直徑為94mm，出口直徑6mm，如圖1所示。本文模擬水從下集管入口流入從出口噴出的過程。現有下集管上下腔體是直接連通的，在使用過程中發現噴嘴出水水柱存在高度不一致、粗細有差異的情況，這樣就導致在帶鋼寬度方向冷卻不均勻的現象。為了找出下集管噴嘴水柱不均勻的原因，對下集管采用了有限元的方法進行流體仿真。

圖1 下集管結構示意圖

3 有限元仿真

3.1 三維模型建立以及網格劃分

運用SolidWorks軟件［4］對下集管進行三維建模，將模型文件保存為IGS格式在ICEM CFD中打開，首先對模型進行檢查，確保導入模型正確性，無丟失。然后定義邊界INLET、OUTLET等設置部件網格尺寸，如圖2所示，最小尺寸為2mm，是因為下集管整體尺寸較大，最小尺寸為6mm，為了保證計算的準確度，同時為了提高仿真計算的速度。尺寸參數設置完成后，進行網格劃分。因為模型較為復雜同時為了節省劃分網格的時間，選擇四面體網格，網格類型選擇Tetra／Mixed，生成網格的方法采用Robust，生成的網格如圖3所示。

圖2 各部分網格大小

圖3 下集管網格劃分

通過Quality對生成的網格進行質量檢測，檢測結果如圖4所示，可以看出：網格質量在0.2以上，滿足使用要求［5］。通常網格質量在0.2以上就可進行計算，網格質量太大會影響求解的精度和速度。

圖4 網格質量信息

3.2 流體仿真分析

將ICEM CFD軟件生成的mesh文件在Fluent中打開，進行流體分析。本文分析下集管內水從無到有的過程。選擇 Transient，model選擇Multiphase－Eulerian和標準k－e模型［6］。其中相數為2，分別為空氣和水。監測出口速度和下集管內水體積分數。邊界條件設置如表1所示，其中入口速度是通過生產現場實測下集管出口流速反推計算所得。現場實測下集管出口速度2.2m／s，則水入口速度設置為1.3m／s。

表1 邊界條件設置

選取Coupled算法［7］，初始化方法采用Standard Initialization，對模型設置迭代次數2000次，每次時長0.005s，并進行求解計算，得之收斂［8］。

首先對舊下集管進行流體仿真分析。圖5為舊下集管不同時間時水的占比情況。

由圖5得舊下集管先充滿腔體下部，然后從遠離進水口端逐步充滿腔體。由圖5c可得到當水流穩定后從入口段到遠離入口段，噴嘴管內水含量的占比升高。

圖5 舊下集管不同時間時水的占比情況

從創建模型的中間截面來觀察流體的運動，中間截面壓力分布云圖如圖6所示。

圖6 中間截面壓力分布云圖

由圖6可得：舊下集管噴嘴靠近入水口段壓力明顯高于后邊的噴嘴壓力，中后端水壓力均勻，這就造成了水柱高度不均勻的情況。將圖中靠近進水端噴嘴底部放大，如圖7所示。

圖7 靠近噴嘴根部區域壓力分布云

圖8為舊下集管充滿水出口的速度云圖。由圖8可得，舊下集管各個噴嘴內速度分布不均勻，通常情況下中心出速度最快，沿著徑向方向到管壁面逐漸減小。由此可知上腔體內水均勻性不佳。

圖8 舊下集管出口速度云圖

圖9為舊下集管縱向方向上出口處的速度分布圖。由圖可得舊下集管近進水端水流速明顯高于其他位置，水流速范圍約3.00m／s～3.75m／s。

圖9 舊下集管縱向方向上出口處的速度分布圖

通過對舊下集管仿真結果的分析，得到舊下集管腔體上部中水未完全充滿就從噴嘴中噴出了，為解決這一問題，在上下腔體之間增加了阻尼裝置，這樣能起到穩流的作用，使水盡量充滿腔體然后再從噴嘴中噴出，設計出新型內部結構的下集管。

同樣的仿真步驟和方法對新下集管進行仿真計算。

圖10為新下集管不同時間時水的占比情況。由圖10得新下集管在阻尼裝置的作用下先充滿下腔體，然后通過阻尼裝置進入上腔體再從噴嘴中噴射出去，同時每根噴嘴中水的占比是基本相同的。

圖10 新下集管不同時間時水的占比情況

圖11為新下集管的中間截面的壓力云圖。由圖11可知：壓力過渡較平穩，沒有較大幅度的波動，噴嘴出口的壓力分布均勻，從而導致水流速均勻。將圖中靠近噴嘴根部的區域放大，如圖12所示。

圖11 中間截面壓力分布云圖

圖12 靠近噴嘴根部區域壓力分布云圖

圖13為新集管的出口處的速度云圖。圖14為新下集管縱向方向上出口處的速度分布圖。由圖13與圖8進行對比可得，新下集管每個噴嘴出口速度云圖更加飽滿，基本呈圓狀，舊下集管噴嘴出口速度云圖多數呈不規則形狀，所以同等設置條件下改進后下集管出口速度更加均勻。

圖13 新下集管入口和出口速度云圖

圖14 新下集管縱向方向上出口處的速度分布圖

由圖14與圖9進行對比可得，水流速縱向方向上分布更加均勻，改進后下集管的速度為2.75m／s～3.25m／s，水流速更加均勻了，跨度小了。阻尼裝置起到了平穩水流的作用，但同時也降低了水的流速。但是總體效果達到了，出口處的速度更加均勻和平均。

4 結論

本文主要對層冷線下集管以及現場應用出現的問題進行了闡述，運用仿真軟件對舊下集管進行流體仿真，并對仿真結果進行分析，得到了導致現場出現水柱高度、粗細不均的原因。在此基礎上設計出新的下集管，用同種方法作了仿真分析，并把仿真結果與舊下集管進行對比。對比結果表明：新下集管內部壓力分布較好；同時出口處速度分布更均勻，證明了設計的合理性和正確性。