邊新孝 李苗苗 伏世帥 朱冬梅 劉國勇

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

H型鋼具有抗彎性能好、施工簡單、節(jié)約成本和結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，因其斷面與英文字母“H”相同而得名[1]，已被廣泛應(yīng)用。然而，由于H型鋼斷面的形狀特點(diǎn)，使得其整體軋后的溫度分布不均勻，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的集聚，造成H型鋼腹板波浪、翼緣波浪、腹板開裂等缺陷[2]。因此，合理選擇軋后控制冷卻工藝是獲得H型鋼所要求性能的關(guān)鍵。由于H型鋼斷面的特殊性，目前使用最多的是氣霧冷卻。

霧化噴射冷卻是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，影響噴霧冷卻換熱特性的因素很多，如噴嘴結(jié)構(gòu)、噴嘴傾角、噴射壓力、水流量、噴射距離以及水氣比等[3- 4]，并且各個(gè)影響因素又相互牽連，給試驗(yàn)研究帶來很大困難。由于氣霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用早于理論研究，所以現(xiàn)在很多冷卻模型的建立與分析還處于數(shù)據(jù)積累階段[5- 6]。鄧運(yùn)來等[7]和Wendelstorf J等[8]研究得出，在不同噴射表面流量密度與噴射壓強(qiáng)條件下，換熱系數(shù)隨著噴水端面溫度的降低先增大后減小，并在100～150 ℃時(shí)出現(xiàn)換熱系數(shù)的最大值。文獻(xiàn)[9]研究得出，氣水比對(duì)噴霧換熱系數(shù)有很大的影響，隨著空氣體積分?jǐn)?shù)的增加，換熱系數(shù)逐漸降低。Shimada M[10]等采用銀制試樣研究了噴嘴組的傳熱系數(shù),并總結(jié)出在高溫階段，氣霧的換熱系數(shù)是水射流換熱系數(shù)和空氣射流換熱系數(shù)之和。文獻(xiàn)[11]研究得出，在噴水流量為0.74～1.23 kg/s時(shí)，換熱系數(shù)隨著噴水流量的增加而增加，在大于1.23 kg/s后，換熱系數(shù)增加不明顯。Pautsch A G等[12- 13]和He Y L等[14]研究得出，噴嘴的排列布置會(huì)影響換熱系數(shù)。Wen Z X等[15]和Yoshisaburo Y等[16]研究得出，噴嘴的噴射距離對(duì)射流沖擊傳熱有一定影響。Ravikumar S V等[17]研究了0°～60°的噴嘴傾角下鋼板的冷卻情況，并得出在30°噴嘴方向可以獲得純凈水的最佳冷卻效率。Guo F等[18]使用ANSYS有限元分析軟件建立了H型鋼的控制冷卻模型，并對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，得出最低和最高溫度分別在邊緣的凸緣和R角處，且在R角增大冷卻水流速，可以提高溫度分布的均勻性。

本文主要建立了1/2三維H型鋼模型，利用Fluent軟件模擬分析了H型鋼氣霧冷卻的換熱系數(shù)，探究了不同氣壓、水流量和噴嘴直徑對(duì)換熱系數(shù)的影響，彌補(bǔ)了已有研究中沒有系統(tǒng)性結(jié)論的缺陷。同時(shí)考察了綜合因素影響下，不同冷卻方式的搭配使用對(duì)冷卻均勻性的影響，并提出了最佳冷卻方式。在建模及確定參數(shù)時(shí)，考慮噴霧的霧化形狀、噴嘴空間布置及噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素，避免了以往二維H型鋼霧化冷卻模型帶來的諸多不利影響。

1 物理模型

選擇某一型號(hào)的700 mm×350 mm的H型鋼(GB/T 1126—1998)進(jìn)行氣霧冷卻，其截面尺寸見圖1。由于截面對(duì)稱，模型分析取1/2截面、長度為200 mm的三維H型鋼模型。氣霧噴嘴布置見圖2，位于長200 mm中間截面。為了表述方便，對(duì)噴嘴進(jìn)行編號(hào),見圖2。模型設(shè)定各噴嘴出口距離H型鋼相對(duì)應(yīng)表面為150 mm，噴嘴為博際HPZ系列的B12型水、氣霧噴嘴。

圖1 H型鋼截面尺寸Fig.1 Section size of H beam steel

圖2 模型噴嘴布置中間截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of middle section of the model nozzle arrangement

圖2中雙點(diǎn)劃線區(qū)域?yàn)闅忪F計(jì)算區(qū)域。由于本文所建立的三維模型較為復(fù)雜，存在倒角、圓角及圓孔等不規(guī)則結(jié)構(gòu)，為便于進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用前處理軟件Gambit將模型劃分成如圖3所示的1～15共15個(gè)區(qū)域。其中4、5、6、13 4個(gè)區(qū)域?yàn)楣腆w區(qū)域，其余11個(gè)區(qū)域?yàn)榱黧w區(qū)域。2、11、15處為噴嘴所在區(qū)域，為流場(chǎng)計(jì)算的重要區(qū)域，需適當(dāng)加密，模型其他區(qū)域的網(wǎng)格則可適當(dāng)稀疏化。最后對(duì)H型鋼所在區(qū)域4、5、6及噴嘴所在區(qū)域2、11、15采用4 mm單元長度網(wǎng)格、區(qū)域13采用2 mm單元長度網(wǎng)格、其余區(qū)域采用6 mm單元長度網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格質(zhì)量接近于1，單元的偏斜度小于0.42，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。

2 氣霧冷卻計(jì)算模型的建立

2.1 理論基礎(chǔ)

本文采用混合模型，可以通過求解混合相的連續(xù)性、動(dòng)量和能量方程，模擬n相流體的流動(dòng)。

圖3 H型鋼氣霧冷卻模型平面分段示意圖Fig.3 Schematic diagram of plane section of air- vapour cooling model for H beam steel

(1)質(zhì)量守恒方程

流體的流動(dòng)都應(yīng)遵守質(zhì)量守恒定律。在相同時(shí)間段內(nèi)，流入噴嘴的氣體和液體的質(zhì)量與流出噴嘴的液體和氣體的質(zhì)量之差等于噴嘴內(nèi)氣體和液體質(zhì)量的增量，根據(jù)這一定律可以導(dǎo)出噴嘴內(nèi)氣體與液體流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程，其連續(xù)方程的微分形式為：

?(ρm)/?t+

(1)

(2)動(dòng)量守恒方程

混合對(duì)流換熱模型的動(dòng)量方程可以通過對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和來獲得，動(dòng)量守恒方程可表示為：

(2)

(3)能量守恒方程

流動(dòng)和傳熱系統(tǒng)必須滿足能量守恒定律，其原理依據(jù)的是熱力學(xué)第一定律，表達(dá)式為：

(3)

分析H型鋼控制冷卻過程中的溫度和應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮其物性參數(shù)隨溫度的變化。H型鋼的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容如表1所示。

表1 H型鋼導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容Table 1 Thermal conductivity and specific heat capacity of H beam steel

2.2 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[19]試驗(yàn)研究了尺寸為140 mm×28 mm×10 mm的80CrNiMo鋼板的氣霧冷卻過程，氣壓為0.6 MPa，水流量為0.016 7 L/s，始冷溫度為573 K。針對(duì)該試驗(yàn)，采用本文的理論在Fluent(DPM模型)中對(duì)其進(jìn)行仿真，得到的溫度- 時(shí)間曲線的試驗(yàn)值與仿真值見圖4。除去降溫1 s時(shí)的誤差為22%外，其他時(shí)間段的誤差均在10%以內(nèi)，在允許的誤差范圍內(nèi)，因此本模型的仿真結(jié)果具有參考意義。

圖4 80CrNiMo鋼板氣霧冷卻過程溫度- 時(shí)間曲線的試驗(yàn)值與仿真值Fig.4 Test value and simulation value of the temperature time curve for 80CrNiMo steel plate during air- vapour cooling

2.3 初始溫度的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[20]的結(jié)論，翼緣中部溫度最高，腹板中部溫度最低，兩者最大溫差可達(dá)300 ℃；翼緣邊部溫度位于兩者之間，截面內(nèi)溫差最大可達(dá)150 ℃。根據(jù)該結(jié)論，設(shè)定H型鋼冷卻前，翼緣圓角部位溫度為1 173 K，翼緣兩端溫度為1 023 K，腹板中部溫度為923 K，環(huán)境溫度為300 K。在Fluent軟件中編寫溫度函數(shù)并完成對(duì)H型鋼初始溫度的加載，得到的H型鋼初始溫度分布見圖5。

2.4 計(jì)算模型的建立

數(shù)值模擬所涉及的邊界條件包括進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等。進(jìn)口采用壓力進(jìn)口，出口采用壓力出口，并將壓力出口的邊界設(shè)為逃逸(escape)邊界條件，即霧滴如果因回流到達(dá)這個(gè)面，則認(rèn)為霧滴將脫離這個(gè)邊界面而不再返回計(jì)算域。H型鋼表面設(shè)為wall- jet邊界。水流密度取998.3 kg/m3。 其具體參數(shù)如表2所示。

圖5 H型鋼初始溫度分布截面圖Fig.5 Sectional diagram in initial temperature profile in H beam steel

表2 初始條件與邊界條件Table 2 Initial conditions and boundary conditions

本文數(shù)值研究的離散方法為有限體積法，流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算采用耦合式解法，湍流數(shù)值計(jì)算采用時(shí)均方程模擬計(jì)算法。以RNGk-ε湍流模型和三維雷諾時(shí)均N-S方程為基礎(chǔ)，采用SIMPLEC基本算法和DPM中氣體輔助霧化模型(air- blast atomizer)，從氣壓、水流量及噴嘴直徑等方面對(duì)H型鋼的氣霧冷卻進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 換熱系數(shù)分析

根據(jù)上文所確定的H型鋼模型、噴霧模型、初始條件及邊界條件等信息，通過Fluent軟件模擬得到H型鋼氣霧冷卻時(shí)的噴霧效果，見圖6。

H型鋼表面不同部位的溫度和換熱系數(shù)不同，為了滿足所分段內(nèi)H型鋼的表面溫度及換熱系數(shù)值較為均勻，將H型鋼分成23個(gè)小表面，見圖7，以每個(gè)小表面的平均換熱系數(shù)代表該處的換熱系數(shù)。

3.1 溫度對(duì)換熱系數(shù)的影響

取圖7中H型鋼翼緣處的plane1、圓角處的plane5及腹板處的plane14為研究對(duì)象，研究在其他噴射條件不變的情況下，H型鋼表面溫度與換熱系數(shù)的關(guān)系。參數(shù)設(shè)定為：P1=P2=P3=1.5 MPa，水流量L1=L2=L3=0.01 kg/s，其中P1、L1分別為噴嘴1的進(jìn)氣壓力(簡稱氣壓)和水流量，P2、L2分別為噴嘴2X和2S的氣壓和水流量，P3、L3分別為噴嘴3X和3S的氣壓和水流量。噴嘴內(nèi)徑dn=1 mm，外徑dw=3 mm。由Fluent仿真分析得到H型鋼不同部位的平均換熱系數(shù)與噴射時(shí)間之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，plane5處的換熱系數(shù)比plane1和plane14處大很多。在0.5～3 s時(shí)間段內(nèi)，3個(gè)平面的換熱系數(shù)基本不隨溫度的降低而變化，說明換熱過程較平穩(wěn)。

圖6 H型鋼氣霧冷卻噴霧效果Fig.6 Spray effect of air- vapour cooling of H beam steel

圖7 H型鋼表面的劃分Fig.7 Surface division of H beam steel

圖8 H型鋼不同部位的平均換熱系數(shù)與噴射時(shí)間之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between the average heat transfer coefficient and the spray time of different positions of H beam steel

3.2 氣壓對(duì)H型鋼氣霧冷卻效果的影響

取腹板處plane5、R角處plane6、翼緣處plane18為研究對(duì)象，在其他參數(shù)不變的情況下，研究氣壓(0.15、0.2、0.25、0.3 MPa)對(duì)H型鋼氣霧冷卻換熱系數(shù)的影響，結(jié)果如圖9所示。參數(shù)設(shè)置如下：水流量L1=L2=L3=0.02 kg/s，噴嘴內(nèi)徑dn=1 mm。從圖9可以看出，在一定壓力范圍內(nèi)，水量等其他條件不變時(shí)，隨著氣壓的升高，換熱系數(shù)增大。

圖9 氣壓與H型鋼不同部位平均換熱系數(shù)之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between air- pressure and the average heat transfer coefficient of different positions of H beam steel

3.3 水流量對(duì)H型鋼氣霧冷卻效果的影響

取腹板處plane5、R角處plane6、翼緣處plane18為研究對(duì)象，在其他參數(shù)不變的情況下，研究水流量(0.02、0.05、0.08、0.10 kg/s)對(duì)H型鋼氣霧冷卻換熱系數(shù)的影響，結(jié)果如圖10所示。參數(shù)設(shè)置如下：氣壓P1=P2=P3=0.2 MPa，噴嘴內(nèi)徑dn=1 mm。從圖10可以看出，在氣壓等條件一定時(shí)，換熱系數(shù)與水流量有關(guān)，但不成正比關(guān)系。

圖10 水流量與H型鋼不同部位平均換熱系數(shù)之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between water flow and the average heat transfer coefficient of different positions of H beam steel

3.4 霧化噴嘴出口內(nèi)、外徑對(duì)換熱系數(shù)的影響

噴嘴參數(shù)設(shè)置如下：氣壓P1=P2=P3=0.2 MPa，水流量L1=L2=L3=0.02 kg/s。取腹板處plane5、R角處plane6、翼緣處plane18為研究對(duì)象，在其他參數(shù)不變的情況下，研究噴嘴內(nèi)徑(0.5、1、1.5和2 mm)和外徑(3和5 mm)對(duì)H型鋼換熱系數(shù)的影響，結(jié)果如圖11所示。由圖可知，在一定參數(shù)范圍內(nèi)，霧化噴嘴的內(nèi)、外徑變化對(duì)H型鋼表面換熱系數(shù)的影響不大。

4 氣霧冷卻參數(shù)優(yōu)化

通過對(duì)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬可知，H型鋼的腹板與翼緣圓角處(圖3中的區(qū)域5)冷卻最慢，溫度最高；腹板(圖3中的區(qū)域13)因厚度薄，且有3S和3X(見圖2)兩個(gè)噴嘴對(duì)噴，冷卻較快，溫度最低。為減少熱應(yīng)力，應(yīng)合理配置噴嘴，并調(diào)節(jié)參數(shù)。氣霧噴嘴進(jìn)氣口直徑D=16 mm，噴嘴內(nèi)徑為1 mm，外徑為3 mm，改變其他參數(shù)，設(shè)計(jì)4種工況，見表3。

從表3可以看出，從工況2開始，上下兩個(gè)噴嘴3的水流量為0，但仍有噴氣，且噴氣壓力也越來越小。表4只列出了4種工況下典型表面plane5、plane6和plane18的換熱系數(shù)?？梢?，與工藝優(yōu)化前相比，plane5和plane6的平均換熱系數(shù)增大，而plane18的平均換熱系數(shù)減小，即增大了圓角處的冷卻能力，減小了腹板處的冷卻能力。

圖11 噴嘴內(nèi)、外徑與H型鋼不同部位平均換熱系之間數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between the inner and outer diameter of nozzle and the average heat transfer coefficient of different positions of H beam steel

表3 4種工況的具體參數(shù)設(shè)置Table 3 Specific parameters setting of four operating conditions

表4 4種工況下H型鋼表面不同部位的平均換熱系數(shù) Table 4 Average heat transfer coefficient of different positions of H beam steel under four operating conditions W/(m2·K)

上述4種工況下，從開始冷卻到40 s時(shí)，H型鋼的溫度場(chǎng)見圖12。由圖12可知，溫度梯度最大處位于腹板與翼緣圓角處，即圖3中的區(qū)域5。工況3圓角處的溫度梯度小，且最低溫度也較低，所以工況3的冷卻參數(shù)最佳。

5 結(jié)論

采用Fluent軟件，通過對(duì)H型鋼氣霧冷卻對(duì)流換熱數(shù)值的分析， 計(jì)算了H型鋼表面不同部位的換熱系數(shù)和溫度云圖，得出如下結(jié)論。

圖12 4種工況下H型鋼的溫度場(chǎng)Fig.12 Temperature fields in H beam steel under four working conditions

(1)在一定壓力范圍(0.15～0.3 MPa)內(nèi)，水流量(0.02 kg/s)等其他條件不變時(shí)，隨著氣壓的升高，水的霧化效果增強(qiáng)，即冷卻能力增強(qiáng)，H型鋼表面的換熱系數(shù)增大。

(2)當(dāng)壓力從0.15 MPa增加到0.3 MPa，水流量為0.02 kg/s，其他條件不變時(shí)，腹板中間平面、R角處、翼緣中間平面的換熱系數(shù)分別增加了732.36、285.2、746.59 W/(m2·k)。

(3)在噴嘴外徑一定(3或5 mm)、內(nèi)徑變化時(shí)，H型鋼表面不同部位的平均換熱系數(shù)在噴嘴內(nèi)徑為1 mm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)噴嘴內(nèi)徑(0.5、1、1.5或2 mm)一定、外徑變化時(shí)，噴嘴外徑為3 mm時(shí)H型鋼表面不同部位的平均換熱系數(shù)比外徑為5 mm時(shí)的大。

(4)對(duì)于空氣輔助霧化，在霧化冷卻覆蓋范圍內(nèi)，正對(duì)噴嘴處的冷卻能力最強(qiáng)，遠(yuǎn)離噴嘴處的冷卻能力逐漸減弱；給定一個(gè)氣壓或水流量值，總有一個(gè)最佳的水流量或氣壓值與之對(duì)應(yīng)，使得霧化冷卻效果最佳。

通過對(duì)H型鋼不同冷卻工藝的仿真分析，得出在氣霧噴嘴進(jìn)氣口直徑D=16 mm，噴嘴內(nèi)徑dn=1 mm，外徑dw=3 mm，水流量L1=0.05 kg/s，L2=0.1 kg/s，L3=0 kg/s，氣壓P1=0.3 MPa，P2=0.5 MPa，P3=0.12 MPa時(shí)，即對(duì)R角處采取強(qiáng)冷，對(duì)腹板處采取直接空冷時(shí)，H型鋼的溫度場(chǎng)分布相對(duì)較為均勻，溫度梯度最小。