平整机封闭罩内部流场仿真分析

郑凯 王毅

（中冶南方工程技术有限公司 湖北 武汉 430223）

1 前言

平整机在高速连续轧制时，会产生大量轧制粉尘，通常会在机组出口侧靠近轧辊辊缝的位置设置防缠导板等除尘设备，通过除尘系统去除掉主要的粉尘。即便如此，还是会剩下不少颗粒细小的粉尘聚集在平整机内部，因此需要将平整机封闭起来，把剩余的粉尘通过吸风罩抽走。本文通过对气流速度场进行数值模拟，为封闭罩以及吸风罩的结构设计提供理论依据。

2 分析计算

2.1 扬尘及吸尘的机理［1，2］

粉尘是由气体携带着，携带粉尘的气体称之为含尘气体。吸尘机理见图1。扬尘时，由于振动力和温度的作用，含尘气体具有一定的能量，向四周扩散。扩散的状态是等速曲线图如图1（a）所示。在同一条曲线上，各个点的扩散速度相同，用Vk以表示。靠近尘源比值最大，向外逐渐减小，最外层Vk=0。

图1（b）中的曲线亦是等速度曲线，速度用Vx表示。罩口外某一点的Vx与该点到罩口距离的平方成反比。罩口吸气时，在罩口外速度衰减很快。罩口处的速度用V0表示。把吸尘罩置于扬尘处，如图1（c）中任意一点，只要Vx＞Vk，吸尘罩就可以把该点的含尘气体吸入罩内。图1（c）中，Vk=20m／s的曲线的一部分被Vx=20m／s的曲线包围，曲线上被包围的区域各点的含尘气体可以被抽吸，但是未被包围的区域各点的含尘气体不一定就不能被抽吸。Vk=20m／s曲线上的粉尘继续向外扩散，扩散速度随之下降，待下降到Vk=10m／s的位置时，Vk=10m／s的曲线大部分被Vk=10m／s的曲线包围，大部分可以被抽吸。

图1 吸尘机理图

含尘气体可以被抽吸多少、在哪一个部位上被抽吸，取决于扬尘量、扬尘强度、抽吸力度和抽吸位置等因素。

2.2 平整机封闭罩的结构

封闭罩是平整机本体周围由型钢、钢板做成半封闭的结构，底部是敞开的。在平整机的顶部，在操作侧、传动侧、入口侧和操作侧，分别设置四个吸风罩，再将四个吸风罩的出口连接起来，总管连到除尘器和风机，通过烟囱排出厂房。

图2 平整机封闭罩及吸风罩

2.3 封闭罩内部流场技术分析

利用CFD数值模拟的方法分析，采用Fluent软件对平整机封闭罩的气流进行模拟，得出封闭罩内的气流速度场分布，分析除尘效果。

2.3.1 仿真计算的几何模型

进行平整机封闭罩的虚拟仿真计算时，采用Reynolds时均的不可压缩连续性方程、动量方程及标准k-epsilon方程构成封闭方程组模拟平整机封闭罩内部流场的湍流运动，并对气流的运动进行分析，基本方程的表达如式（1）-式（4）所示［3］：

连续性方程：

动量方程：

2.3.2 边界条件

对于封闭罩内部气流速度，按照固体壁面无滑移边界条件处理，封闭罩四周是关闭的，围护结构保温性能良好，避免按绝热边界处理，带钢的入口和出口，封闭罩的底部为空气进口，边界条件为压力入口，相对大气压0 Pa，内部气流从封闭罩的出口排出。因为除尘风机的压力、流量、功率参数已经确定，整个管道的流速设计为20m／s，因此吸尘罩的出口管道也应按20m／s考虑。

图3 封闭罩几何模型

2.3.3 模拟计算

整个封闭罩在入口和出口、操作侧和传动侧均呈对称结构，因此取1／4流场模型进行分析，可以极大地减少计算时间。二维模型是对模型的简化，利于建模和计算，其精度可以满足工程上的需要。用Inventor软件对流场建模，导入ANSYS中，利用ANSYS ICEMCFD软件进行网格划分，在ANSYS FLUENT的流体动力学分析模块中进行流体动力学分析，然后在求解器中求解。

从图4可以看到计算过程收敛很快，分析结果如图5-7所示。根据封闭罩的流速场分析，可以得出以下结论：

图4 收敛残差图

图5 速度流场

（1）吸尘罩的出口内部压力—300Pa；

（2）速度离吸尘罩口越远，衰减越快，速度云图和理论上的分析是一致的，靠近支撑辊的区域，气流的流速约为10m／s；

（3）角落有气流旋涡存在。

2.4 封闭罩结构改进

从图6速度云图可以看到，封闭罩左上角区域气流流场比较紊乱，可以在此设置导流隔板，然后重新建模，再进行有限元分析后，得到速度云图如图8-10所示。

图6 速度云图

图7 压力云图

图8 速度云图

图9 压力云图

从图10速度流线图可以看到，气流顺着斜隔板向下流动，该处的流速约为7m／s，可以在斜隔板的底部安装收集槽，收集下落的铁粉，定期清理。

图10 速度流场

2.5 粉尘粒径计算

通过现场实地取样、送样检验确认粉尘的成份，对污染物粉末进行的激光粒度分析测试显示，平均直径为105.79μm［4］，大直径的颗粒基本上被防缠导板上的除尘管吸走，只剩下一些细小的颗粒。由于实际生产时粉尘微粒的直径较小，在计算流场时可忽略其对气体流场的作用。

根据气固两相流体力学的基本原理，固体粉尘在气体中作自由悬浮时的速度V0，可根据如下斯托克斯公式计算［5］：

式中：ds—粉尘直径，m；

ρs—粉尘密度，kg／m3；

ρa—空气密度，kg／m3；

C—阻力系数；

g—重力加速度，kg／s2。

从速度云图看到，支承辊附近的气流流速约为10m／s，根据以上公式，可以反算出能吸走的粉尘颗粒直径d约为500μm。

3 结束语

利用FLUENT软件对干式平整机封闭罩内部气流的速度场进行数值模拟，根据气流速度的分布范围与大小确定吸风罩的安装位置；根据模拟计算的结果对封闭罩进行了改进，增设导流隔板，增设粉尘搜集槽；可以计算出吸风罩能够捕捉的粉尘颗粒直径大小；为封闭罩的结构设计提供了指导。通过现场使用验证，除尘效果显著，收到了良好的效果。