基于ANSYS Fluent的层流冷却系统下集管设计仿真分析

闻成才 王龙涛 姚威 何春雨 张立杰 宋博瀚

（1：马鞍山钢铁股份有限公司四钢轧总厂 安徽马鞍山 243003；2：北京科技大学设计研究院有限公司 北京 100083）

1 前言

层流冷却系统作为控制轧制和控制冷却的一个组成部分，直接影响带钢的组织和性能，所以层流冷却过程是热轧生产过程中非常重要的环节［1］。下集管是层流冷却系统中不可或缺的设备，集管结构的设计直接影响水的均匀性和水的流速，从而影响带钢表面温差，冷却能力和金相组织，同时水流在集管中流动，流动的路径、管道阻力及产生的旋流等对冷却效果具有重大影响［2］，因此对下集管结构和流体分析具有重要的意义。本文采用ANSYSfluent对下集管喷水均匀性进行仿真分析。

2 下集管概况

下集管通过气动开闭阀、气动调节阀、流量计、过滤器和手阀与高位水箱进行连接。其组建的层流冷却系统具有冷却能力强，流量可调的特点，这样就可以根据钢种、尺寸规格以及卷取温度的要求来设定工作集管数、调节各组集管流量和上下集管流量比来控制钢板的冷却过程，以满足钢板性能要求［3］。下集管采用三排喷嘴，入口直径为94mm，出口直径6mm，如图1所示。本文模拟水从下集管入口流入从出口喷出的过程。现有下集管上下腔体是直接连通的，在使用过程中发现喷嘴出水水柱存在高度不一致、粗细有差异的情况，这样就导致在带钢宽度方向冷却不均匀的现象。为了找出下集管喷嘴水柱不均匀的原因，对下集管采用了有限元的方法进行流体仿真。

图1 下集管结构示意图

3 有限元仿真

3.1 三维模型建立以及网格划分

运用SolidWorks软件［4］对下集管进行三维建模，将模型文件保存为IGS格式在ICEM CFD中打开，首先对模型进行检查，确保导入模型正确性，无丢失。然后定义边界INLET、OUTLET等设置部件网格尺寸，如图2所示，最小尺寸为2mm，是因为下集管整体尺寸较大，最小尺寸为6mm，为了保证计算的准确度，同时为了提高仿真计算的速度。尺寸参数设置完成后，进行网格划分。因为模型较为复杂同时为了节省划分网格的时间，选择四面体网格，网格类型选择Tetra／Mixed，生成网格的方法采用Robust，生成的网格如图3所示。

图2 各部分网格大小

图3 下集管网格划分

通过Quality对生成的网格进行质量检测，检测结果如图4所示，可以看出：网格质量在0.2以上，满足使用要求［5］。通常网格质量在0.2以上就可进行计算，网格质量太大会影响求解的精度和速度。

图4 网格质量信息

3.2 流体仿真分析

将ICEM CFD软件生成的mesh文件在Fluent中打开，进行流体分析。本文分析下集管内水从无到有的过程。选择 Transient，model选择Multiphase－Eulerian和标准k－e模型［6］。其中相数为2，分别为空气和水。监测出口速度和下集管内水体积分数。边界条件设置如表1所示，其中入口速度是通过生产现场实测下集管出口流速反推计算所得。现场实测下集管出口速度2.2m／s，则水入口速度设置为1.3m／s。

表1 边界条件设置

选取Coupled算法［7］，初始化方法采用Standard Initialization，对模型设置迭代次数2000次，每次时长0.005s，并进行求解计算，得之收敛［8］。

首先对旧下集管进行流体仿真分析。图5为旧下集管不同时间时水的占比情况。

由图5得旧下集管先充满腔体下部，然后从远离进水口端逐步充满腔体。由图5c可得到当水流稳定后从入口段到远离入口段，喷嘴管内水含量的占比升高。

图5 旧下集管不同时间时水的占比情况

从创建模型的中间截面来观察流体的运动，中间截面压力分布云图如图6所示。

图6 中间截面压力分布云图

由图6可得：旧下集管喷嘴靠近入水口段压力明显高于后边的喷嘴压力，中后端水压力均匀，这就造成了水柱高度不均匀的情况。将图中靠近进水端喷嘴底部放大，如图7所示。

图7 靠近喷嘴根部区域压力分布云

图8为旧下集管充满水出口的速度云图。由图8可得，旧下集管各个喷嘴内速度分布不均匀，通常情况下中心出速度最快，沿着径向方向到管壁面逐渐减小。由此可知上腔体内水均匀性不佳。

图8 旧下集管出口速度云图

图9为旧下集管纵向方向上出口处的速度分布图。由图可得旧下集管近进水端水流速明显高于其他位置，水流速范围约3.00m／s～3.75m／s。

图9 旧下集管纵向方向上出口处的速度分布图

通过对旧下集管仿真结果的分析，得到旧下集管腔体上部中水未完全充满就从喷嘴中喷出了，为解决这一问题，在上下腔体之间增加了阻尼装置，这样能起到稳流的作用，使水尽量充满腔体然后再从喷嘴中喷出，设计出新型内部结构的下集管。

同样的仿真步骤和方法对新下集管进行仿真计算。

图10为新下集管不同时间时水的占比情况。由图10得新下集管在阻尼装置的作用下先充满下腔体，然后通过阻尼装置进入上腔体再从喷嘴中喷射出去，同时每根喷嘴中水的占比是基本相同的。

图10 新下集管不同时间时水的占比情况

图11为新下集管的中间截面的压力云图。由图11可知：压力过渡较平稳，没有较大幅度的波动，喷嘴出口的压力分布均匀，从而导致水流速均匀。将图中靠近喷嘴根部的区域放大，如图12所示。

图11 中间截面压力分布云图

图12 靠近喷嘴根部区域压力分布云图

图13为新集管的出口处的速度云图。图14为新下集管纵向方向上出口处的速度分布图。由图13与图8进行对比可得，新下集管每个喷嘴出口速度云图更加饱满，基本呈圆状，旧下集管喷嘴出口速度云图多数呈不规则形状，所以同等设置条件下改进后下集管出口速度更加均匀。

图13 新下集管入口和出口速度云图

图14 新下集管纵向方向上出口处的速度分布图

由图14与图9进行对比可得，水流速纵向方向上分布更加均匀，改进后下集管的速度为2.75m／s～3.25m／s，水流速更加均匀了，跨度小了。阻尼装置起到了平稳水流的作用，但同时也降低了水的流速。但是总体效果达到了，出口处的速度更加均匀和平均。

4 结论

本文主要对层冷线下集管以及现场应用出现的问题进行了阐述，运用仿真软件对旧下集管进行流体仿真，并对仿真结果进行分析，得到了导致现场出现水柱高度、粗细不均的原因。在此基础上设计出新的下集管，用同种方法作了仿真分析，并把仿真结果与旧下集管进行对比。对比结果表明：新下集管内部压力分布较好；同时出口处速度分布更均匀，证明了设计的合理性和正确性。