D0I:10.13374/i.issnl(00I03.2008.10.001 第30卷第10期 北京科技大学学报 Vol.30 No.10 2008年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2008 四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性 张少军)许小花)杨春彦)李忠富)赵影) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)防化指挥工程学院一系，北京102205 摘要利用有限元耦合场数值模拟计算方法，对钢板控冷设备中四支管结构管路的流场进行了三维稳态数值模拟，分析了 喷嘴管直径，喷嘴管高度、支管直径以及入口管进水流速等参数对各喷嘴管出口流量均匀性的影响，模拟结果表明：喷嘴管直 径、支管直径、入口管进水流速对各喷嘴管出口流量均匀性影响较大，而喷嘴管高度对各喷嘴管出口流量均匀性影响较小. 关键词钢板；热轧：控冷：数值模拟：流量分配：流动特性 分类号TG333.7+1 Flux uniformity at the nozzle pipe outlet of a four-branch pipe controlled cooling apparatus for steel plates ZHA NG Shoojun),XU Xiaohua).YANG Chunyan2).LI Zhongfu).ZHAO Ying) 1)School of Mechanical Engineering University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)No-I Department.Engineering Institute of Chemical Defence.Beijing 102205.China ABSTRACT A three-dimensional steady simulation of the flow in the four-branch pipe of a controlled cooling device was carried out by the numerical simulation calculation method of finite element coupling field.The effect of nozzle pipe diameter.nozzle pipe height. branch pipe diameter.and inlet velocity on the flux uniformity at the nozzle pipe outlet was analyzed.The result of simulation show that nozzle pipe diameter,branch pipe diameter and inlet velocity have a great influence on the flux uniformity at the nozzle pipe out- let,but nozzle pipe height has a little influence on it. KEY WORDS steel plate:hot rolling:controlled cooling:numerical simulation:flow distribution:flow characteristics 控制冷却技术是控制轧后钢板的冷却速度以改 1管路的数值模拟 善钢材组织和性能，细化铁素体晶粒，减少珠光体片 层间距，阻止碳化物在高温下析出，提高析出强化效 1.1物理模型的建立 果而采用的工艺山.在轧钢生产中，控制冷却工艺 研究对象是控冷设备中四支管结构的管路，其 影响着产品的质量、性能和成本。控制冷却能提高 结构外形示意图如图1所示（由于管路结构对称，取 轧制钢材的强度和韧性，并对节能有直接贡献，还可 管路的一半进行研究)·高压水从入口管流入上直 对开发新钢种做出贡献2]，控制冷却设备必须能 管，再经四个支管流入安装喷嘴管的下直管中，最后 够均匀控制钢板长、宽和厚三个方向的性能，同时不 从喷嘴管喷出，整个管路由入口管，上、下直管，4 能产生缺陷。这似乎很简单，但却需要很高的技 个支管和72个喷嘴管组成，入口管和上、下直管采 术).管路结构是钢板控冷设备中最重要的结构部 用相同直径的钢管，管内径D1取147mm,支管直 件，其作用是合理分配进来的高压水，使各喷嘴出口 径D2取80mm,上直管长L1取1360mm,下直管 流量和出口水流速度在板宽方向上满足要求，若管 长L2取1895mm·支管之间采用等间距布置，间距 路结构设计不当，各喷嘴出口流量不能满足使用要 为800mm,每个喷嘴管的直径和高度都相同，直径 求，则钢板会冷却不均，极容易造成瓢曲5]. d取16mm,高度h取25mm,喷嘴管也采用等间距 收稿日期：2007-09-29修回日期：2007-12-02 作者简介：张少军(1957-)，男，教授，E-mail:取hang2004@yahoo-com-cn
四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性 张少军1） 许小花1） 杨春彦2） 李忠富1） 赵 影1） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 防化指挥工程学院一系北京102205 摘 要 利用有限元耦合场数值模拟计算方法对钢板控冷设备中四支管结构管路的流场进行了三维稳态数值模拟分析了 喷嘴管直径、喷嘴管高度、支管直径以及入口管进水流速等参数对各喷嘴管出口流量均匀性的影响．模拟结果表明：喷嘴管直 径、支管直径、入口管进水流速对各喷嘴管出口流量均匀性影响较大而喷嘴管高度对各喷嘴管出口流量均匀性影响较小． 关键词 钢板；热轧；控冷；数值模拟；流量分配；流动特性 分类号 TG333∙7＋1 Flux uniformity at the nozzle pipe outlet of a four-branch pipe controlled cooling apparatus for steel plates ZHA NG Shaojun 1）XU Xiaohua 1）Y A NG Chunyan 2）LI Zhongf u 1）ZHA O Y ing 1） 1） School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） No．1DepartmentEngineering Institute of Chemical DefenceBeijing102205China ABSTRACT A three-dimensional steady simulation of the flow in the four-branch pipe of a controlled cooling device was carried out by the numerical simulation calculation method of finite element coupling field．T he effect of nozzle pipe diameternozzle pipe height branch pipe diameterand inlet velocity on the flux uniformity at the nozzle pipe outlet was analyzed．T he result of simulation show that nozzle pipe diameterbranch pipe diameter and inlet velocity have a great influence on the flux uniformity at the nozzle pipe outletbut nozzle pipe height has a little influence on it． KEY WORDS steel plate；hot rolling；controlled cooling；numerical simulation；flow distribution；flow characteristics 收稿日期：2007-09-29 修回日期：2007-12-02 作者简介：张少军（1957—）男教授E-mail：sjzhang2004＠yahoo．com．cn 控制冷却技术是控制轧后钢板的冷却速度以改 善钢材组织和性能细化铁素体晶粒减少珠光体片 层间距阻止碳化物在高温下析出提高析出强化效 果而采用的工艺［1］．在轧钢生产中控制冷却工艺 影响着产品的质量、性能和成本．控制冷却能提高 轧制钢材的强度和韧性并对节能有直接贡献还可 对开发新钢种做出贡献［2—3］．控制冷却设备必须能 够均匀控制钢板长、宽和厚三个方向的性能同时不 能产生缺陷．这似乎很简单但却需要很高的技 术［4］．管路结构是钢板控冷设备中最重要的结构部 件其作用是合理分配进来的高压水使各喷嘴出口 流量和出口水流速度在板宽方向上满足要求．若管 路结构设计不当各喷嘴出口流量不能满足使用要 求则钢板会冷却不均极容易造成瓢曲［5—8］． 1 管路的数值模拟 1∙1 物理模型的建立 研究对象是控冷设备中四支管结构的管路其 结构外形示意图如图1所示（由于管路结构对称取 管路的一半进行研究）．高压水从入口管流入上直 管再经四个支管流入安装喷嘴管的下直管中最后 从喷嘴管喷出．整个管路由入口管上、下直管4 个支管和72个喷嘴管组成．入口管和上、下直管采 用相同直径的钢管管内径 D1 取147mm支管直 径 D2 取80mm．上直管长 L1 取1360mm下直管 长 L2 取1895mm．支管之间采用等间距布置间距 为800mm．每个喷嘴管的直径和高度都相同直径 d 取16mm高度 h 取25mm喷嘴管也采用等间距 第30卷 第10期 2008年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．10 Oct．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．10．001
第10期 张少军等：四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性 ,1155. 布置，间距为50mm,喷嘴管号从左到右依次为1~ 1.3边界条件 36,三维模型的网格采用以四面体为主的混合网 对于控冷设备管道内流体的流动问题，其边界 格.划分网格时，将喷嘴管处的网格加密，以获得较 条件分为管道入口，喷嘴管出口，对称面和壁面四 高的求解精度. 种.考虑到进口水流已充分流经较长的直管段，可 人口普 以认为进口流速均匀分布，所以管道进口边界条件 为：u管道进口=0，u管道进口=一v0,0管道进口=0. 喷嘴管出口流速是未知的，但出口压力为己知，即大 气压，所以，若采用相对压力，则喷嘴管出口边界条 上、下直管 件确定为p喷嘴管出口=0，对称面边界条件为 u对称面=0，固体壁面边界条件为“壁面=0、 喷嘴许1号57911B617921232527293引3335 v壁面=0和0壁面=0. 图1管路结构外形示意图（取整体结构的一半） 2计算结果与分析 Fig.1 Schematic contour of pipeline structure (half of the whole 2.1喷嘴管直径对各喷嘴管出口流量的影响 structure） 在其他参数不变的情况下，取喷嘴管直径d= 1.2控制方程 16,18,20,22mm,入口管速度0=2ms1,模拟 在钢板进入冷却区之前，水流应该达到稳定状 计算得出各喷嘴管出口流量情况如图2所示，从图 态，这样才能保证钢板的头部和尾部经历同等强度 中可看出，虽然喷嘴管直径不同，但各喷嘴管出口流 的喷水过程，所以，研究管路内流体流动可不考虑 量的规律基本相同：支管正对着的喷嘴管出现流量 初始瞬态过渡过程，只作稳态流场分析，分析时采 的极大值，支管附近两侧的喷嘴管出现流量的极小 用如下假设：(1)管路中的流体一水，其温度保持 值；支管正对着的喷嘴管的出口流量随喷嘴管直径 不变：(2)忽略水的可压缩性，即认为水的密度是常 的增大而增大，支管附近两侧的喷嘴管的出口流量 数，因此，管路内流体的流动视为定常不可压缩粘 随喷嘴管直径的增大而减小；在远离支管处，喷嘴管 性流体的流动，流体在管路中流动应满足如下控制 的出口流量曲线基本重合，总的来说，喷嘴管直径 方程9-10 对支管正对着的及其附近的喷嘴管出口流量的影响 连续性方程： 较大，而对远离支管的喷嘴管出口流量影响不大 u+n+m=0 ax ay 8z (1) 不同喷嘴管直径下，两支管附近和正对喷嘴管的流 量及其偏差率如表1所示.从表中可看出，喷嘴管 运动方程： 直径越小，支管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管 十u3y u ax 业十w3z au 的流量偏差率越小，喷嘴管出口流量越均匀，要使 12+￥4+4+ 钢板冷却均匀，就要求喷嘴管等间距布置时各喷嘴 oaxoaxay 十Fx (2) 管出口流量要尽可能均匀，因此，在设计控冷设备 u十v3y u ax 3业十w3z du二 的这种四支管结构时，在入口管直径一定且保证喷 嘴管不堵塞的情况下，应尽量减小喷嘴管直径，以使 -+++ 0.7 p∂x2ay2 az2 +Fy (3) 06 00.5 uax十wy 司业一 0.3 -10p+凸2+形+ -d=16 mm l8mm +F:(4) d-20 mm +-d-22mm 0.1 式中，u、v和D为流体质点x、y和z方向的速度分 13579111315171921232527293引3335 喷嘴管号 量，P是流体的密度，p为管内流体的压力，“为流 体的动力黏度，Fx、F,和F:为微元体上的体力·若 图2不同喷嘴管直径下喷嘴管出口流量曲线 体力只有重力（重力加速度为g),且y轴竖直向上， Fig.2 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different nozzle 则F.=0,Fy=一g,F=0. pipe diameters
布置间距为50mm喷嘴管号从左到右依次为1～ 36．三维模型的网格采用以四面体为主的混合网 格．划分网格时将喷嘴管处的网格加密以获得较 高的求解精度． 图1 管路结构外形示意图（取整体结构的一半） Fig．1 Schematic contour of pipeline structure （half of the whole structure） 1∙2 控制方程 在钢板进入冷却区之前水流应该达到稳定状 态这样才能保证钢板的头部和尾部经历同等强度 的喷水过程．所以研究管路内流体流动可不考虑 初始瞬态过渡过程只作稳态流场分析．分析时采 用如下假设：（1）管路中的流体———水其温度保持 不变；（2）忽略水的可压缩性即认为水的密度是常 数．因此管路内流体的流动视为定常不可压缩粘 性流体的流动流体在管路中流动应满足如下控制 方程［9—10］． 连续性方程： ∂u ∂x ＋ ∂v ∂y ＋ ∂w ∂z ＝0 （1） 运动方程： u ∂u ∂x ＋v ∂u ∂y ＋ w ∂u ∂z ＝ — 1 ρ ∂p ∂x ＋ μ ρ ∂2u ∂x 2＋ ∂2u ∂y 2＋ ∂2u ∂z 2 ＋Fx （2） u ∂v ∂x ＋v ∂v ∂y ＋ w ∂v ∂z ＝ — 1 ρ ∂p ∂y ＋ μ ρ ∂2v ∂x 2＋ ∂2v ∂y 2＋ ∂2v ∂z 2 ＋Fy （3） u ∂w ∂x ＋v ∂w ∂y ＋ w ∂w ∂z ＝ — 1 ρ ∂p ∂z ＋ μ ρ ∂2 w ∂x 2＋ ∂2 w ∂y 2＋ ∂2 w ∂z 2 ＋Fz （4） 式中u、v 和 w 为流体质点 x、y 和 z 方向的速度分 量ρ是流体的密度p 为管内流体的压力μ为流 体的动力黏度Fx、Fy 和 Fz 为微元体上的体力．若 体力只有重力（重力加速度为 g）且 y 轴竖直向上 则 Fx＝0Fy＝—ρgFz＝0． 1∙3 边界条件 对于控冷设备管道内流体的流动问题其边界 条件分为管道入口喷嘴管出口对称面和壁面四 种．考虑到进口水流已充分流经较长的直管段可 以认为进口流速均匀分布所以管道进口边界条件 为：u｜管道进口 ＝0v｜管道进口 ＝— v0w｜管道进口 ＝0． 喷嘴管出口流速是未知的但出口压力为已知即大 气压．所以若采用相对压力则喷嘴管出口边界条 件确 定 为 p｜喷嘴管出口 ＝0对 称 面 边 界 条 件 为 u｜对称面＝0固 体 壁 面 边 界 条 件 为 u｜壁面 ＝0、 v｜壁面＝0和 w｜壁面＝0． 2 计算结果与分析 图2 不同喷嘴管直径下喷嘴管出口流量曲线 Fig．2 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different nozzle pipe diameters 2∙1 喷嘴管直径对各喷嘴管出口流量的影响 在其他参数不变的情况下取喷嘴管直径 d＝ 16182022mm入口管速度 v0＝2m·s —1模拟 计算得出各喷嘴管出口流量情况如图2所示．从图 中可看出虽然喷嘴管直径不同但各喷嘴管出口流 量的规律基本相同：支管正对着的喷嘴管出现流量 的极大值支管附近两侧的喷嘴管出现流量的极小 值；支管正对着的喷嘴管的出口流量随喷嘴管直径 的增大而增大支管附近两侧的喷嘴管的出口流量 随喷嘴管直径的增大而减小；在远离支管处喷嘴管 的出口流量曲线基本重合．总的来说喷嘴管直径 对支管正对着的及其附近的喷嘴管出口流量的影响 较大而对远离支管的喷嘴管出口流量影响不大． 不同喷嘴管直径下两支管附近和正对喷嘴管的流 量及其偏差率如表1所示．从表中可看出喷嘴管 直径越小支管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管 的流量偏差率越小喷嘴管出口流量越均匀．要使 钢板冷却均匀就要求喷嘴管等间距布置时各喷嘴 管出口流量要尽可能均匀．因此在设计控冷设备 的这种四支管结构时在入口管直径一定且保证喷 嘴管不堵塞的情况下应尽量减小喷嘴管直径以使 第10期 张少军等： 四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性 ·1155·
.1156, 北京科技大学学报 第30卷 各喷嘴管出口流量尽可能均匀，另外，可采用加大 水量均匀， 支管正对部位喷嘴管间距的不等间距布置，以使喷 表1不同喷哦管直径下支管附近和正对喷嘴管的流量及其偏差率 Table 1 Flux and deviation ratio values of nozzle pipes near and under branch pipes under different nozzle pipe diameters 喷嘴管直径/mm 参量 16 18 20 22 10号喷嘴管的质量流量/(kgs一) 0.434 0.398 0.379 0.328 12号喷嘴管的质量流量/(kgs) 0.536 0.575 0.618 0.666 10号和12号喷嘴管的流量偏差率/% 18.878 30.801 38.658 50.667 26号喷嘴管的出口流量/(kgs) 0.448 0.432 0.403 0.349 28号喷嘴管的出口流量/(kgs) 0.512 0.554 0.585 0.650 26号和28号喷嘴管的流量偏差率/% 12.675 22.025 31.106 46.267 2,2喷嘴管高度对各喷嘴管出口流量的影响 0.6 在其他参数不变的情况下，取喷嘴管高度h= 25,65和105mm,入口管速度v0=2ms1,模拟计 算得各喷嘴管出口流量情况如图3所示，从图中可 0.4 h-25 mm 看出，喷嘴管高度在一定范围(25~105mm)内，对 h=65 mm +h=105mm 各喷嘴管出口流量影响不大，表2中列出了不同喷 0.33579i1315171921232527293引335 嘴管高度下部分喷嘴管（随喷嘴管高度的变化，出口 喷嘴管号 流量变化最大的八个喷嘴管)的出口流量和喷嘴管 图3不同喷嘴管高度下喷哦管出口流量曲线 高度对其的影响量，从表中可看出，喷嘴管高度对 Fig.3 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different nozzle 30号喷嘴管的影响量最大，也仅为2.98%. pipe heights 表2不同喷嘴管高度下部分喷嘴管出口流量和喷嘴管高度对其的影响量 Table 2 Flux values of nozle pipes under different nozzle pipe heights and influence of nozzle pipe height on them 喷嘴管号 参量 3 9 12 14 27 28 30 31 h=25mm时喷嘴管出口流量/(kgs) 0.47440.4376 0.5355 0.44750.4534 0.51250.44600.4483 h=65mm时喷嘴管出口流量/(kgs-) 0.4679 0.4440 0.5268 0.4569 0.4617 0.52010.45700.4548 h=105mm时喷嘴管出口流量/(kgs1) 0.4664 0.4400 0.5282 0.4530 0.4598 0.51600.45970.4529 影响量/(%) 1.67931.4446 1.6293 2.06931.79071.47132.98181.4329 2.3支管直径对各喷嘴管出口流量的影响 越小，喷嘴管出口流量越均匀 在其他参数不变的情况下，取支管直径D2= 80,100和147mm,入口管速度vo=2ms1,模拟 0.6 计算得各喷嘴管出口流量情况如图4所示.从图中 0.5 可以看出：支管直径对支管正对着的和其附近的喷 嘴管的出口流量影响较大，而对其他部位喷嘴管的 D.=80 mm D:=100 mm 出口流量影响较小：支管正对着的喷嘴管的出口流 +D2147mm 量随支管直径的增大而减小，而支管附近两侧的喷 0235791市$792232527293引3药 喷嘴管号 嘴管的出口流量随支管直径的增大而增大，不同支 管直径下，两支管附近和正对着的喷嘴管流量及其 图4不同支管直径下喷嘴管出口流量曲线 偏差率如表3所示.从表中可看出，支管直径越大， Fig.4 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different branch 支管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管流量偏差率 pipe diameters
各喷嘴管出口流量尽可能均匀．另外可采用加大 支管正对部位喷嘴管间距的不等间距布置以使喷 水量均匀． 表1 不同喷嘴管直径下支管附近和正对喷嘴管的流量及其偏差率 Table1 Flux and deviation ratio values of nozzle pipes near and under branch pipes under different nozzle pipe diameters 参量 喷嘴管直径／mm 16 18 20 22 10号喷嘴管的质量流量／（kg·s —1） 0∙434 0∙398 0∙379 0∙328 12号喷嘴管的质量流量／（kg·s —1） 0∙536 0∙575 0∙618 0∙666 10号和12号喷嘴管的流量偏差率／％ 18∙878 30∙801 38∙658 50∙667 26号喷嘴管的出口流量／（kg·s —1） 0∙448 0∙432 0∙403 0∙349 28号喷嘴管的出口流量／（kg·s —1） 0∙512 0∙554 0∙585 0∙650 26号和28号喷嘴管的流量偏差率／％ 12∙675 22∙025 31∙106 46∙267 2∙2 喷嘴管高度对各喷嘴管出口流量的影响 在其他参数不变的情况下取喷嘴管高度 h＝ 2565和105mm入口管速度 v0＝2m·s —1模拟计 算得各喷嘴管出口流量情况如图3所示．从图中可 看出喷嘴管高度在一定范围（25～105mm）内对 各喷嘴管出口流量影响不大．表2中列出了不同喷 嘴管高度下部分喷嘴管（随喷嘴管高度的变化出口 流量变化最大的八个喷嘴管）的出口流量和喷嘴管 高度对其的影响量．从表中可看出喷嘴管高度对 30号喷嘴管的影响量最大也仅为2∙98％． 图3 不同喷嘴管高度下喷嘴管出口流量曲线 Fig．3 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different nozzle pipe heights 表2 不同喷嘴管高度下部分喷嘴管出口流量和喷嘴管高度对其的影响量 Table2 Flux values of nozzle pipes under different nozzle pipe heights and influence of nozzle pipe height on them 参量 喷嘴管号 3 9 12 14 27 28 30 31 h＝25mm 时喷嘴管出口流量／（kg·s —1） 0∙4744 0∙4376 0∙5355 0∙4475 0∙4534 0∙5125 0∙4460 0∙4483 h＝65mm 时喷嘴管出口流量／（kg·s —1） 0∙4679 0∙4440 0∙5268 0∙4569 0∙4617 0∙5201 0∙4570 0∙4548 h＝105mm 时喷嘴管出口流量／（kg·s —1） 0∙4664 0∙4400 0∙5282 0∙4530 0∙4598 0∙5160 0∙4597 0∙4529 影响量／（％） 1∙6793 1∙4446 1∙6293 2∙0693 1∙7907 1∙4713 2∙9818 1∙4329 2∙3 支管直径对各喷嘴管出口流量的影响 在其他参数不变的情况下取支管直径 D2＝ 80100和147mm入口管速度 v0＝2m·s —1模拟 计算得各喷嘴管出口流量情况如图4所示．从图中 可以看出：支管直径对支管正对着的和其附近的喷 嘴管的出口流量影响较大而对其他部位喷嘴管的 出口流量影响较小；支管正对着的喷嘴管的出口流 量随支管直径的增大而减小而支管附近两侧的喷 嘴管的出口流量随支管直径的增大而增大．不同支 管直径下两支管附近和正对着的喷嘴管流量及其 偏差率如表3所示．从表中可看出支管直径越大 支管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管流量偏差率 越小喷嘴管出口流量越均匀． 图4 不同支管直径下喷嘴管出口流量曲线 Fig．4 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different branch pipe diameters ·1156· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 张少军等：四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性 ,1157 表3不同支管直径下支管附近和正对着的喷嘴管流量及其偏差率 (4)支管正对着的喷嘴管的出口流量随支管直 Table 3 Flux and deviation ratio values of nozzle pipes near and under 径的增大而减小，而支管附近两侧的喷嘴管的出口 branch pipes under different branch pipe diameters 流量随支管直径的增大而增大，支管直径越大，支 支管直径/mm 参量 管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管流量偏差率越 80 100 147 小，各喷嘴管出口流量越均匀 10号喷嘴管的质量流量/(kgs) 0.4340.4510.463 12号喷嘴管的质量流量/(kgs) 0.5360.504 0.481 (5)入口管进水流速越小，各喷嘴管出口流量 10号和12号喷嘴管的流量偏差率/%18.87810.6063.598 越均匀， 26号喷嘴管的出口流量/(kgs) 0.4480.4560.466 参考文献 28号喷嘴管的出口流量/(kgs) 0.5120.4890.476 26号和28号喷嘴管的流量偏差率/%12.6756.7582.147 [1]Wang Y M.Li M Y.Wei G.Controlled Rolling and Controlled Cooling of Steel.Beijing:Metallurgical Industry Press.1993 2,4入口管进水流速对各喷嘴管出口流量的影响 (王有铭，李曼云，韦光。钢材的控制轧制和控制冷却.北京： 在其他参数都不变的情况下，改变入口管的进 治金工业出版社，1993) [2]Liu F.Controlled-cooling simulation system.Cent Iron Steel Res 水流速，模拟计算得各喷嘴管出口流量情况如图5 Inst Tech Bull.1987.7(1):13 所示，从图中可以看出：入口管的进水流速越小，各 (刘峰.控制冷却模拟装置.钢铁研究总院学报，1987,7(1)： 喷嘴管出口流量越小.随着入口管进水流速的减 13) 小，各喷嘴管出口流量曲线变得越来越平坦：即入口 [3]Zhang H Y.Wang X L.Feng J H.et al.Application of controlled- 管进水流速越小，各喷嘴管出口流量越均匀，当 cooling technology in medium plate production.J Iron Steel Res. 2004,16(2):67 vo=0.1ms1时，各喷嘴管出口流量几乎接近相 (张辉宜，王小林，冯建晖，等.控制冷却技术在中板生产中的 等.由此可见，控冷设备采用这种四支管结构时，在 应用，钢铁研究学报，2004,16(2)：67) 满足喷嘴射流速度以及冲击压力的情况下，应尽量 [A]Controlled Rolling and Controlled Cooling-Improved Rolling 减小入口管进水流速，以使各喷嘴管出口流量尽量 Technical Development of Materials.LiFT.Chen K.Translat- 均匀， ed.Beijing:Metallurgical Industry Press,2002 (小指军夫，控制轧制·控制冷却一改善材质的轧制技术发 0.9 展.李伏桃，陈岿译.北京：冶金工业出版社，2002) 0.8 0.7 [5]Zhu Q J.Zhao Y Z.Li M W.Flow Numerical simulation and pa- 0.6 0.5 rameters optimization of the header pipe of non-restrained medium 0.4 steel plate quencher.Metall Equip.2001(5):35 0.3 0.2 (朱启建，赵永忠，李谋渭.中厚板淬火机集管流场的数值模拟 0.1t 与参数优化设计.冶金设备，2001(5)：35) 0 [6]Zhu Q J,Li M W,Jin Y C,et al.Design technologies of multi- 喷嘴管号 +。0.01ms 0.5ms1 stage damping header for uniform distribution of water spraying -*-2 m-s- 6=3ms1 intensity.J Univ Sci Technol Beijing.2003.25(5):469 (朱启建，李谋渭，金永春，等.基于喷水强度均匀分布的多级 图5不同入口管进水流速下喷嘴管出口流量曲线 阻尼集管设计.北京科技大学学报，2003,25(5)：469) Fig.5 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different velocities [7]Han B.SiL Y.Liu X H.et al.Flow field simulation in heater pipe at the inlet pipe inlet of laminar cooling system for hot rolling and theoretical calculation of impact pressure.JIron Steel Res.2004.16(5):42 3结论 (韩斌，司良英，刘相华，等，热轧层流冷却集管中流场有限元模 拟及冲击压力的理论计算.钢铁研究学报，2004,16(5)：42) (1)对于控冷设备的这种四支管结构，在支管 [8]Qian Z S.Control of factors affecting homogeneous cooling of 正对着的喷嘴管处出现流量的极大值，在支管附近 plate furing controlled cooling-Wide Heavy Plate.2000,6(1):1 两侧的喷嘴管出现流量的极小值 (钱振声.控制冷却过程中影响钢板均匀冷却的因素及其控 (2)支管正对着的喷嘴管的出口流量随喷嘴管 制，宽厚板.2000,6(1)：1) 直径的增大而增大，支管附近两侧的喷嘴管的出口 [9]Wang FJ.Computational Fluid Dynamics:CFD Software Princi- 流量随喷嘴管直径的增大而减小.喷嘴管直径越 ple and Application.Beijing:Tsinghua University Press.2004 (王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用.北京： 小，支管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管的流量 清华大学出版社，2004) 偏差率越小，各喷嘴管出口流量越均匀 [10]Zhang YY.Fluid Mechanics.Beijing:Higher Education (3)喷嘴管高度在一定范围(25~105mm)内， Pre5s,2002 对各喷嘴管出口流量影响极小， (张也影.流体力学.北京：高等教育出版社，2002)
表3 不同支管直径下支管附近和正对着的喷嘴管流量及其偏差率 Table3 Flux and deviation ratio values of nozzle pipes near and under branch pipes under different branch pipe diameters 参量 支管直径／mm 80 100 147 10号喷嘴管的质量流量／（kg·s —1） 0∙434 0∙451 0∙463 12号喷嘴管的质量流量／（kg·s —1） 0∙536 0∙504 0∙481 10号和12号喷嘴管的流量偏差率／％ 18∙878 10∙606 3∙598 26号喷嘴管的出口流量／（kg·s —1） 0∙448 0∙456 0∙466 28号喷嘴管的出口流量／（kg·s —1） 0∙512 0∙489 0∙476 26号和28号喷嘴管的流量偏差率／％ 12∙675 6∙758 2∙147 2∙4 入口管进水流速对各喷嘴管出口流量的影响 在其他参数都不变的情况下改变入口管的进 水流速模拟计算得各喷嘴管出口流量情况如图5 所示．从图中可以看出：入口管的进水流速越小各 喷嘴管出口流量越小．随着入口管进水流速的减 小各喷嘴管出口流量曲线变得越来越平坦；即入口 管进水流速越小各喷嘴管出口流量越均匀．当 v0＝0∙1m·s —1时各喷嘴管出口流量几乎接近相 等．由此可见控冷设备采用这种四支管结构时在 满足喷嘴射流速度以及冲击压力的情况下应尽量 减小入口管进水流速以使各喷嘴管出口流量尽量 均匀． 图5 不同入口管进水流速下喷嘴管出口流量曲线 Fig．5 Flux curves at the nozzle pipe outlet under different velocities at the inlet pipe inlet 3 结论 （1） 对于控冷设备的这种四支管结构在支管 正对着的喷嘴管处出现流量的极大值在支管附近 两侧的喷嘴管出现流量的极小值． （2） 支管正对着的喷嘴管的出口流量随喷嘴管 直径的增大而增大支管附近两侧的喷嘴管的出口 流量随喷嘴管直径的增大而减小．喷嘴管直径越 小支管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管的流量 偏差率越小各喷嘴管出口流量越均匀． （3） 喷嘴管高度在一定范围（25～105mm）内 对各喷嘴管出口流量影响极小． （4） 支管正对着的喷嘴管的出口流量随支管直 径的增大而减小而支管附近两侧的喷嘴管的出口 流量随支管直径的增大而增大．支管直径越大支 管附近的喷嘴管和其正对着的喷嘴管流量偏差率越 小各喷嘴管出口流量越均匀． （5） 入口管进水流速越小各喷嘴管出口流量 越均匀． 参 考 文 献 ［1］ Wang Y MLi M YWei G．Controlled Rolling and Controlled Cooling of Steel．Beijing：Metallurgical Industry Press1993 （王有铭李曼云韦光．钢材的控制轧制和控制冷却．北京： 冶金工业出版社1993） ［2］ Liu F．Controlled-cooling simulation system．Cent Iron Steel Res Inst Tech Bull19877（1）：13 （刘峰．控制冷却模拟装置．钢铁研究总院学报19877（1）： 13） ［3］ Zhang H YWang X LFeng J Het al．Application of controlledcooling technology in medium plate production．J Iron Steel Res 200416（2）：67 （张辉宜王小林冯建晖等．控制冷却技术在中板生产中的 应用．钢铁研究学报200416（2）：67） ［4］ Controlled Rolling and Controlled Cooling — Imp roved Rolling Technical Development of Materials．Li F TChen KTranslated．Beijing：Metallurgical Industry Press2002 （小指军夫．控制轧制·控制冷却———改善材质的轧制技术发 展．李伏桃陈岿译．北京：冶金工业出版社2002） ［5］ Zhu Q JZhao Y ZLi M W．Flow Numerical simulation and parameters optimization of the header pipe of non-restrained medium steel plate quencher．Metall Equip2001（5）：35 （朱启建赵永忠李谋渭．中厚板淬火机集管流场的数值模拟 与参数优化设计．冶金设备2001（5）：35） ［6］ Zhu Q JLi M WJin Y Cet al．Design technologies of multistage damping header for uniform distribution of water spraying intensity．J Univ Sci Technol Beijing200325（5）：469 （朱启建李谋渭金永春等．基于喷水强度均匀分布的多级 阻尼集管设计．北京科技大学学报200325（5）：469） ［7］ Han BSi L YLiu X Het al．Flow field simulation in heater pipe of laminar cooling system for hot rolling and theoretical calculation of impact pressure．J Iron Steel Res200416（5）：42 （韩斌司良英刘相华等．热轧层流冷却集管中流场有限元模 拟及冲击压力的理论计算．钢铁研究学报200416（5）：42） ［8］ Qian Z S．Control of factors affecting homogeneous cooling of plate furing controlled cooling．Wide Heav y Plate20006（1）：1 （钱振声．控制冷却过程中影响钢板均匀冷却的因素及其控 制．宽厚板．20006（1）：1） ［9］ Wang F J．Computational Fluid Dynamics：CFD Software Principle and Application．Beijing：Tsinghua University Press2004 （王福军．计算流体动力学分析：CFD 软件原理与应用．北京： 清华大学出版社2004） ［10］ Zhang Y Y． Fluid Mechanics．Beijing： Higher Education Press2002 （张也影．流体力学．北京：高等教育出版社2002） 第10期 张少军等： 四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性 ·1157·
