D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.0L.015 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 喷雾冷却中射流出口高度和高温钢板表面温度 对换热系数的影响 张少军)边智慧)杨春彦2) 单艳华) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)防化指挥工程学院，北京102205 摘要利用有限元耦合场数值模拟计算方法进行了高温钢板纯水喷雾冷却的模拟，研究了射流出口高度和钢板表面温度 对换热系数的影响.模拟结果表明：在其他参数不变的情况下，随喷射距离（在200~500mm范围内）的减小，换热系数总体呈 增加趋势：随钢板表面温度（在1050~1200K范围内）的增加，换热系数总体呈减小趋势· 关键词钢板：控冷：喷雾冷却：换热系数：冲击射流：数值模拟 分类号TK121;TQ025 控冷是现代热轧钢生产中不可或缺的工艺之 化喷头和气助雾化喷头，传统工业应用最广的是气 一，北京科技大学机械工程学院研制开发的中厚板 助式喷雾冷却，即高压气体通过气助喷头喷射到低 高密度管层流控冷设备已成功应用于我国多家企业 压环境的过程中把液体雾化， 的十多条热轧生产线，该设备主要以水为冷却介质 本文采用压力雾化喷嘴的简化模型，冷却介质 对中厚钢板以及热轧带钢进行控冷，但对热轧型钢 为雾化水，冷却对象为热轧钢板，采用垂直冲击射 (如角钢、槽钢、工字钢等)，则难以直接用水控冷，因 流，对喷雾模型进行的简化：(1)假设初始钢板温度 而可考虑用喷雾（水雾）来进行控冷·使用喷雾冷 均匀分布：(2)不考虑喷嘴的具体结构，按喷嘴的直 却，既要保证较高的冷却效率，又要保证冷却体的质 径来建立模型；(3)雾滴局部体积分数足够小 量，因此必须了解喷雾冷却特性，对流换热系数（简 (≤10%)，即雾滴相互间的作用力可不计：(4)不考 称换热系数)是表示冷却介质冷却能力的重要参数， 虑高温钢板的热辐射以及液滴的沸腾传热对换热系 是体现控冷装置性能的重要标志山，影响喷雾冷却 数的影响， 换热系数的因素很多，如喷嘴至冷却体的距离（喷射 1.1模型的网格划分 距离)、喷嘴结构、液体流量、冲击速度、冷却体表面 划分网格后的物理模型如图1.模型网格划分 温度、喷射角度、湍流度、雾化颗粒尺寸等，在过去 的疏密程度严重影响求解精度和求解效率。通常情 十多年中，国外学者针对喷嘴结构、喷嘴布置、喷嘴 况下，对物理模型划分的网格越密，求解精度就越 间距离、射流出口高度等进行了广泛而深入的实验 高，但对计算机性能的要求也就越高，因此根据问 研究，对喷射距离H的研究中，所针对的H/D范 题求解的实际情况合理划分网格的疏密是十分重要 围较小(H/D<12,D为喷嘴直径)，对换热系数大 的，在现有计算机性能允许的条件下，尽可能地增 多采用温度场反算法进行求解：而国内在该领域的 加网格的划分密度，可作为一种提高计算精度的 研究还比较少[].本文以热轧钢板为控冷对象，利 手段 用有限元耦合场数值模拟计算方法进行了喷雾冷却 喷嘴一几 研究，探讨了在不考虑沸腾换热和热辐射情况下喷 射距离和钢板表面温度变化对换热系数的影响， 冷却流体喷射区 1 模型的建立 冷却钢板 喷雾冷却的雾化产生装置主要有两种：压力雾 图1纯水喷雾冷却简化物理模型 收稿日期：2005-09-25修回日期.2006-05-08 基金项目：国家“九五“科技攻关资助项目(N。.95523030-01) Fig-1 Simplified physical model of pure water spray cooling 作者简介：张少军(1957-)，男，教授
喷雾冷却中射流出口高度和高温钢板表面温度 对换热系数的影响 张少军1） 边智慧1） 杨春彦12） 单艳华1） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 防化指挥工程学院北京102205 摘 要 利用有限元耦合场数值模拟计算方法进行了高温钢板纯水喷雾冷却的模拟研究了射流出口高度和钢板表面温度 对换热系数的影响．模拟结果表明：在其他参数不变的情况下随喷射距离（在200～500mm 范围内）的减小换热系数总体呈 增加趋势；随钢板表面温度（在1050～1200K 范围内）的增加换热系数总体呈减小趋势． 关键词 钢板；控冷；喷雾冷却；换热系数；冲击射流；数值模拟 分类号 T K121；T Q025 收稿日期：20050925 修回日期：20060508 基金项目：国家“九五”科技攻关资助项目（No．95－523－03－01－01） 作者简介：张少军（1957－）男教授 控冷是现代热轧钢生产中不可或缺的工艺之 一北京科技大学机械工程学院研制开发的中厚板 高密度管层流控冷设备已成功应用于我国多家企业 的十多条热轧生产线．该设备主要以水为冷却介质 对中厚钢板以及热轧带钢进行控冷但对热轧型钢 （如角钢、槽钢、工字钢等）则难以直接用水控冷因 而可考虑用喷雾（水雾）来进行控冷．使用喷雾冷 却既要保证较高的冷却效率又要保证冷却体的质 量因此必须了解喷雾冷却特性．对流换热系数（简 称换热系数）是表示冷却介质冷却能力的重要参数 是体现控冷装置性能的重要标志［1］．影响喷雾冷却 换热系数的因素很多如喷嘴至冷却体的距离（喷射 距离）、喷嘴结构、液体流量、冲击速度、冷却体表面 温度、喷射角度、湍流度、雾化颗粒尺寸等．在过去 十多年中国外学者针对喷嘴结构、喷嘴布置、喷嘴 间距离、射流出口高度等进行了广泛而深入的实验 研究［2］对喷射距离 H 的研究中所针对的 H／D 范 围较小（ H／D＜12D 为喷嘴直径）对换热系数大 多采用温度场反算法进行求解；而国内在该领域的 研究还比较少［3］．本文以热轧钢板为控冷对象利 用有限元耦合场数值模拟计算方法进行了喷雾冷却 研究探讨了在不考虑沸腾换热和热辐射情况下喷 射距离和钢板表面温度变化对换热系数的影响． 1 模型的建立 喷雾冷却的雾化产生装置主要有两种：压力雾 化喷头和气助雾化喷头．传统工业应用最广的是气 助式喷雾冷却即高压气体通过气助喷头喷射到低 压环境的过程中把液体雾化． 本文采用压力雾化喷嘴的简化模型冷却介质 为雾化水冷却对象为热轧钢板采用垂直冲击射 流．对喷雾模型进行的简化：（1）假设初始钢板温度 均匀分布；（2）不考虑喷嘴的具体结构按喷嘴的直 径来 建 立 模 型；（3） 雾 滴 局 部 体 积 分 数 足 够 小 （≤10％）即雾滴相互间的作用力可不计；（4）不考 虑高温钢板的热辐射以及液滴的沸腾传热对换热系 数的影响． 1∙1 模型的网格划分 划分网格后的物理模型如图1．模型网格划分 的疏密程度严重影响求解精度和求解效率．通常情 况下对物理模型划分的网格越密求解精度就越 高但对计算机性能的要求也就越高．因此根据问 题求解的实际情况合理划分网格的疏密是十分重要 的．在现有计算机性能允许的条件下尽可能地增 加网格的划分密度可作为一种提高计算精度的 手段． 图1 纯水喷雾冷却简化物理模型 Fig．1 Simplified physical model of pure water spray cooling 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．015
.68 北京科技大学学报 第29卷 1.2初始条件与边界条件 2模拟结果分析 喷嘴进口采用质量流量进口边界条件，实验工 作压力根据喷嘴常用压力范围取值，水流密度取 2.1喷射距离对换热系数的影响 998kgm3,进口温度取为环境温度20℃；模型出 喷射距离H(即喷嘴距钢板表面的距离)对换 口设为压力出口一环境压力101.325kPa,出口温 热系数h影响的模拟结果如图2所示，图2(a)的工 度为20℃；钢板（壁面）温度根据现场热轧钢板实际 况为：喷嘴直径D=2mm,钢板表面温度T= 开冷温度(780~1000℃)来确定；冷却介质为水雾. 1150K,进口工作压力P:=0.1MPa,质量流量 通常在实验过程中，由于各参数的取值不同，所 Qm=0.04325kgs1,出口速度0m=13.8ms1. 得到的实验结果也有一定的差异，而且这些参数在 图2(b)的工况为：D=2mm,T=1150K,P.= 实验过程中相互耦合，很难确定单一参数对换热系 0.3MPa,Qm=0.06154kgs1,0at=19.6ms-1. 数的影响，本文利用有限元耦合场数值模拟计算方 图2(c)的工况为：D=2mm,T=1053K,P:= 法实现的喷雾冷却模拟也有类似情况 0.4MPa,Qm=0.06986kgs-1,vut=22.3ms1. 0.9 (a) 喷射距离 (b) 喷射距离 -一200mm 0.9 -300mm =-250mm …300mm -350mm -350mm ·400mm *400mm -.450mm 一-450mm -。*500mm 05 -500mm 0.3 常0.3 白号66 0.1 100 200300 400 500 0.1 100 200300 400500 距驻点位置mm 距驻点位骨mm 1.2r (c) 喷射距离 1.0 一500mm -450mm 0.8 +-400mn -350mm 0.6 -300mm 0.4 100 200300400500 距驻点位置mm 图2喷射距离对换热系数的影响 Fig.2 Effect of spraying distance on heat transfer coefficient 由图2分析可得：在实验喷射距离范围（在射流 在，能通过蒸汽层的雾滴具有有限性及随机性；(2) 核范围外)内，其他参数不变的情况下，换热系数随 沸腾特性导致固液间不能保持稳定接触：(3)采用的 喷射距离的减小呈现总体增大的趋势，在驻点区的 数值算法中对流项的一阶迎风格式具有迁移特性 变化较明显，喷雾冷却换热的特点是通过雾滴的冲 一将扰动仅向流动方向传递[) 击作用来强化换热强度，而随着喷射距离的减小，冲 2.2钢板表面温度对换热系数的影响 击作用增大，因而换热系数也随之增大，有研究表 分别选取工况为：D=2mm,H=500mm,P:= 明：随着雷诺数Re的增加，换热系数随H的增大 而增大，射流核的末端换热系数达到最大值2，]. 0.1MPa,Qm=0.04325kgs1,0m=13.8ms-1和 D=2 mm,H=300 mm,P:=0.4 MPa.Om= 但换热系数随喷射距离的减小呈现增大趋势的 规律不是绝对的，具有局部波动性，这种局部波动 0.06986kgs1,vm=22.3ms1.研究高温钢板 表面温度对换热系数的影响得出如图3所示结果， 主要由以下几个原因造成：(1)高温表面蒸汽层的存
1∙2 初始条件与边界条件 喷嘴进口采用质量流量进口边界条件实验工 作压力根据喷嘴常用压力范围取值水流密度取 998kg·m －3进口温度取为环境温度20℃；模型出 口设为压力出口－－－环境压力101∙325kPa出口温 度为20℃；钢板（壁面）温度根据现场热轧钢板实际 开冷温度（780～1000℃）来确定；冷却介质为水雾． 通常在实验过程中由于各参数的取值不同所 得到的实验结果也有一定的差异．而且这些参数在 实验过程中相互耦合很难确定单一参数对换热系 数的影响．本文利用有限元耦合场数值模拟计算方 法实现的喷雾冷却模拟也有类似情况． 2 模拟结果分析 2∙1 喷射距离对换热系数的影响 喷射距离 H（即喷嘴距钢板表面的距离）对换 热系数 h 影响的模拟结果如图2所示．图2（a）的工 况为：喷 嘴 直 径 D ＝2mm钢 板 表 面 温 度 T＝ 1150K进口工作压力 Pi ＝0∙1MPa质量流量 Qm＝0∙04325kg·s －1出口速度 v out＝13∙8m·s －1． 图2（b）的工况为：D ＝2mmT ＝1150KPi ＝ 0∙3MPaQm＝0∙06154kg·s －1v out＝19∙6m·s －1． 图2（c） 的工况为：D ＝2mmT＝1053KPi ＝ 0∙4MPaQm＝0∙06986kg·s －1v out＝22∙3m·s －1． 图2 喷射距离对换热系数的影响 Fig．2 Effect of spraying distance on heat transfer coefficient 由图2分析可得：在实验喷射距离范围（在射流 核范围外）内其他参数不变的情况下换热系数随 喷射距离的减小呈现总体增大的趋势在驻点区的 变化较明显．喷雾冷却换热的特点是通过雾滴的冲 击作用来强化换热强度而随着喷射距离的减小冲 击作用增大因而换热系数也随之增大．有研究表 明：随着雷诺数 Re 的增加换热系数随 H 的增大 而增大射流核的末端换热系数达到最大值［24－5］． 但换热系数随喷射距离的减小呈现增大趋势的 规律不是绝对的具有局部波动性．这种局部波动 主要由以下几个原因造成：（1）高温表面蒸汽层的存 在能通过蒸汽层的雾滴具有有限性及随机性；（2） 沸腾特性导致固液间不能保持稳定接触；（3）采用的 数值算法中对流项的一阶迎风格式具有迁移特性 －－－将扰动仅向流动方向传递［6］． 2∙2 钢板表面温度对换热系数的影响 分别选取工况为：D＝2mmH＝500mmPi＝ 0∙1MPaQm＝0∙04325kg·s －1v out＝13∙8m·s －1和 D ＝2mmH ＝300mmPi ＝0∙4 MPaQm ＝ 0∙06986kg·s －1v out ＝22∙3m·s －1．研究高温钢板 表面温度对换热系数的影响得出如图3所示结果． ·68· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第1期 张少军等：喷雾冷却中射流出口高度和高温钢板表面温度对换热系数的影响 .69. 0.7f 1.2 (a) 1.1 (b) 0.6 表面温度 表面温度 -1050K 0.9 0.5 1100K (日 -1180K -·1150K -】143K 0.4 0.7 +-1200K -1100K -.1053K 0.3 0.5 0.2 00 100 200300 400 500 0.10 100 200300 400500 距驻点位置/mm 距驻点位置mm 图3钢板表面温度对换热系数的影响 Fig.3 Effect of surface temperature on heat transfer coefficient 由图3可知，在其他参数一定的情况下，随着钢 呈现减小趋势，但变化较小. 板表面温度（在1050~1200K范围内）提高，换热 系数整体呈现减小趋势，但变化较小，原因是温度 参考文献 较高时高温钢板表面将形成稳定的蒸汽层，而有足 [1】毛希澜.换热器设计·上海：上海科学技术出版社，1988 [2]Dano B P E.Liburdy J A.Kanokjaruvijit K.Flow characteristics 够能量穿过蒸汽层的雾滴数量有限，而且随着钢板 and heat transfer performances of a semi-confined impinging array 表面温度的提高，蒸汽层的厚度也在增加 of jets:effect of nozzle geometry.Int J Heat Mass Transfer, 但换热系数随钢板表面温度的提高呈现减小趋 2005.48,691 势的规律也不是绝对的，有一定的局部波动性，造 [3]陈庆光，徐忠，张永建，湍流冲击射流流动与传热的数值研究 成这种局部波动的原因与喷射距离对换热系数的影 进展.力学进展，2002(2)：92 响中局部波动的原因一致· [4]Stevens J.Pan Y,Webb B W.Effect of nozzle configuration on transport in the stagnation zone of axisymmetric,impinging free- 3结论 surface liquid jets:part Iturbulent flow structure.Trans ASME J Heat Transfer.1992.114:875 (1)在射流核范围外，其他参数固定不变的情 [5]Pan Y,Stevens J.Webb B W.Effect of nozzle configuration on 况下，随着喷射距离（在200~500mm范围内）减 transport in the stagnation zone of axisymmetric.impinging free 小，换热系数整体呈现增加趋势 surface liquid jets:part 2ocal heat transfer.Trans ASME J Heat Transfer,1992,114:880 (2)在其他参数不变的情况下，随钢板表面温 [6]陶文铨.数值传热学.2版.西安：西安交通大学出版社，2001 度（在1050~1200K范围内）增加，换热系数整体 Effects of surface to nozzle distance and high temperature plate s surface tempera ture on spray cooling heat transfer coefficient ZHA NG Shaojun,BIA N Zhihui),YANG Chunyan2),SHAN Yanhua) 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Engineering Institute of Chemical Defence.Bejing 102205,China ABSTRACI Spray cooling of a high temperature steel plate was simulated by using finite element method.The effects of surface to-nozzle distance and steel plate s surface temperature on spray cooling heat transfer coefficient were analyzed.The simulation results show that on condition that other parameters retain constant,the heat transfer coefficient increases totally with decreasing jet space(200500mm)and decreases totally with the sur- face temperature increasing when the surface temperature of the plate in 1050~1200 K. KEY WORDS steel plate;controlled cooling;spray cooling;heat transfer coefficient;jet impingement;nu- merical simulation
图3 钢板表面温度对换热系数的影响 Fig．3 Effect of surface temperature on heat transfer coefficient 由图3可知在其他参数一定的情况下随着钢 板表面温度（在1050～1200K 范围内）提高换热 系数整体呈现减小趋势但变化较小．原因是温度 较高时高温钢板表面将形成稳定的蒸汽层而有足 够能量穿过蒸汽层的雾滴数量有限而且随着钢板 表面温度的提高蒸汽层的厚度也在增加． 但换热系数随钢板表面温度的提高呈现减小趋 势的规律也不是绝对的有一定的局部波动性．造 成这种局部波动的原因与喷射距离对换热系数的影 响中局部波动的原因一致． 3 结论 （1） 在射流核范围外其他参数固定不变的情 况下随着喷射距离（在200～500mm 范围内）减 小换热系数整体呈现增加趋势． （2） 在其他参数不变的情况下随钢板表面温 度（在1050～1200K 范围内）增加换热系数整体 呈现减小趋势但变化较小． 参 考 文 献 ［1］ 毛希澜．换热器设计．上海：上海科学技术出版社1988 ［2］ Dano B P ELiburdy J AKanokjaruvijit K．Flow characteristics and heat transfer performances of a sem-i confined impinging array of jets：effect of nozzle geometry．Int J Heat Mass Transfer 200548：691 ［3］ 陈庆光徐忠张永建．湍流冲击射流流动与传热的数值研究 进展．力学进展2002（2）：92 ［4］ Stevens JPan YWebb B W．Effect of nozzle configuration on transport in the stagnation zone of axisymmetricimpinging freesurface liquid jets：part 1-turbulent flow structure．Trans ASME J Heat Transfer1992114：875 ［5］ Pan YStevens JWebb B W．Effect of nozzle configuration on transport in the stagnation zone of axisymmetricimpinging freesurface liquid jets：part2-local heat transfer．Trans ASME J Heat Transfer1992114：880 ［6］ 陶文铨．数值传热学．2版．西安：西安交通大学出版社2001 Effects of surface-to-nozzle distance and high-temperature plate’s surface temperature on spray cooling heat transfer coefficient ZHA NG Shaojun 1）BIA N Zhihui 1）Y A NG Chunyan 12）SHA N Y anhua 1） 1） Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Engineering Institute of Chemical DefenceBejing102205China ABSTRACT Spray cooling of a high-temperature steel plate was simulated by using finite element method．The effects of surface-to-nozzle distance and steel plate’s surface temperature on spray cooling heat transfer coefficient were analyzed．The simulation results show that on condition that other parameters retain constantthe heat transfer coefficient increases totally with decreasing jet space （200～500mm） and decreases totally with the surface temperature increasing when the surface temperature of the plate in1050～1200K． KEY WORDS steel plate；controlled cooling；spray cooling；heat transfer coefficient；jet impingement；numerical simulation 第1期 张少军等： 喷雾冷却中射流出口高度和高温钢板表面温度对换热系数的影响 ·69·
