,124 北京科技大学学报 第32卷 管外壁冷却均匀性的影响，为实际生产中钢管控冷 模拟，材料为29CMo44V,热导率和比热容见表1 设备的喷嘴布置提供参考和依据， 和表28] 表1不同温度下无缝管的热导率 1数值模拟 Tabl 1 Themal conductivity of the seam kess pipe at different tempera 1.1模型建立 仙es 0 136 900 本文依据无缝钢管控制冷却过程的真实情况， 温度心 310 借助Flent软件建立其三维仿真模型并进行了数值 热导率/(Wm1.℃-1) 42.7 38.5 19.726.4 表2不同温度下无缝管的比热容 Tabl 2 Specific heat of the sean less pipe at different temperatures 温度尤 50 120 170 210 240 290 350 650 比热容(kg1.℃-1) 468.8 493.9 640.5 996.3 203.7 1033.9 506.5 548.4 根据现有计算机计算能力，模型参数取为：钢管 外径159mm,壁厚B=24mm,长度L=500mm:模 型如图1所示， a (4) 能量守恒方程： 喷嘴 +2g+2四2 ++ (5) 可实现ke模型中k和e的输运方程： 钢管 a()+(ku)-a at Ox: 人 ak 十G一e 轴向喷射水 图1物理模型 Fig 1 Physicalmodel dt e2 1.2控制方程 P℃1EE一PC2 k十NE 本文研究的流体介质是水，其在流动过程中与 (6) 钢管之间进行对流换热.水在流动过程中，雷诺数 Re12000属于湍流流动状态.分析时忽略水的可 式中，o=1.0o.=1.2C2=1.9C=ma0.43 压缩性，即认为水的密度是常数.因此，流体的流动 7+5 =(2E,)告E=(2E,E,) 可视为非定常不可压缩黏性流体的湍流流动，流体 的流动应满足如下控制方程9-0) 1+ Ea-20x ax (7) 连续性方程： uv和w是速度矢量u在xy和z方向的分量；P是 +d+=0 ax ay dz (1) 密度；是时间；p是流体微元体上的压力；μ为流体 运动方程： 的动力黏度；为流体的运动黏度；Fx、F,和F,微元 ay十ux 十w 体上的体力，若体力只有重力，且y轴竖直向上，则 y F=0F,=一PgF=0G,是比热容；T为温度；S 为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为 (2) 热能的部分；k是湍动能；E是湍动耗散率；“，是湍 + 动黏度；G是平均速度梯度引起的湍动能k的产生 at 项；E是时均应变率；i广1,23 +州 1.3边界条件 a别 +F, (3) 本文主要涉及以下边界条件：喷嘴入口，钢管轴北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 管外壁冷却均匀性的影响‚为实际生产中钢管控冷 设备的喷嘴布置提供参考和依据． 1 数值模拟 1∙1 模型建立 本文依据无缝钢管控制冷却过程的真实情况‚ 借助 Ｆｌｕｅｎｔ软件建立其三维仿真模型并进行了数值 模拟．材料为 29ＣｒＭｏ44Ｖ‚热导率和比热容见表 1 和表 2 ［8］． 表 1 不同温度下无缝管的热导率 Ｔａｂｌｅ1 Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａ- ｔｕｒｅｓ 温度／℃ 0 136 310 900 热导率／（Ｗ·ｍ—1·℃ —1） 42∙7 38∙5 19∙7 26∙4 表 2 不同温度下无缝管的比热容 Ｔａｂｌｅ2 Ｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｏｆｔｈｅｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 温度／℃ 50 120 170 210 240 290 350 650 比热容／（Ｊ·ｋｇ—1·℃ —1） 468∙8 493∙9 640∙5 996∙3 203∙7 1033∙9 506∙5 548∙4 根据现有计算机计算能力‚模型参数取为：钢管 外径 159ｍｍ‚壁厚 Ｂ＝24ｍｍ‚长度 Ｌ＝500ｍｍ．模 型如图 1所示． 图 1 物理模型 Ｆｉｇ．1 Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ 1∙2 控制方程 本文研究的流体介质是水‚其在流动过程中与 钢管之间进行对流换热．水在流动过程中‚雷诺数 Ｒｅ＞12000‚属于湍流流动状态．分析时忽略水的可 压缩性‚即认为水的密度是常数．因此‚流体的流动 可视为非定常不可压缩黏性流体的湍流流动‚流体 的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： ρ ∂ｕ ∂ｔ ＋ｕ ∂ｕ ∂ｘ ＋ｖ ∂ｕ ∂ｙ ＋ｗ ∂ｕ ∂ｚ ＝ — ∂ｐ ∂ｘ ＋μ ∂ 2ｕ ∂ｘ 2 ＋ ∂ 2ｕ ∂ｙ 2 ＋ ∂ 2ｕ ∂ｚ 2 ＋Ｆｘ （2） ρ ∂ｖ ∂ｔ ＋ｕ ∂ｖ ∂ｘ ＋ｖ ∂ｖ ∂ｙ ＋ｗ ∂ｖ ∂ｚ ＝ — ∂ｐ ∂ｙ ＋μ ∂ 2ｖ ∂ｘ 2＋ ∂ 2ｖ ∂ｙ 2＋ ∂ 2ｖ ∂ｚ 2 ＋Ｆｙ （3） ρ ∂ｗ ∂ｔ ＋ｕ ∂ｗ ∂ｘ ＋ｖ ∂ｗ ∂ｙ ＋ｗ ∂ｗ ∂ｚ ＝ — ∂ｐ ∂ｚ ＋μ ∂ 2ｗ ∂ｘ 2 ＋ ∂ 2ｗ ∂ｙ 2 ＋ ∂ 2ｗ ∂ｚ 2 ＋Ｆｚ （4） 能量守恒方程： ρ ∂Ｔ ∂ｔ ＋ ∂（ｕＴ） ∂ｘ ＋ ∂（ｖＴ） ∂ｙ ＋ ∂（ｗＴ） ∂ｚ ＝ ＳＴ＋ ∂ ∂ｘ ｋ ｃｐ ∂Ｔ ∂ｘ ＋ ∂ ∂ｙ ｋ ｃｐ ∂Ｔ ∂ｙ ＋ ∂ ∂ｚ ｋ ｃｐ ∂Ｔ ∂ｚ （5） 可实现 ｋ--ε模型中 ｋ和 ε的输运方程： ∂（ρｋ） ∂ｔ ＋ ∂（ρｋｕｉ） ∂ｘｉ ＝ ∂ ∂ｘｊ μ＋ μｔ σｋ ∂ｋ ∂ｘｊ ＋Ｇｋ—ρε ∂（ρε） ∂ｔ ＋ ∂（ρεｕｉ） ∂ｘｉ ＝ ∂ ∂ｘｊ μ＋ μｔ σε ∂ε ∂ｘｊ ＋ ρＣ1Ｅε—ρＣ2 ε 2 ｋ＋ νε （6） 式中‚σｋ＝1∙0‚σε ＝1∙2‚Ｃ2 ＝1∙9‚Ｃ1 ＝ｍａｘ 0∙43‚ η η＋5 ‚η＝（2ＥｉｊＥｉｊ） 1／2ｋ ε ‚Ｅ＝（2ＥｉｊＥｉｊ） 1／2‚ Ｅｉｊ＝ 1 2 ∂ｕｉ ∂ｘｊ ＋ ∂ｕｊ ∂ｘｉ （7） ｕ、ｖ和 ｗ是速度矢量 ｕ在 ｘ、ｙ和 ｚ方向的分量；ρ是 密度；ｔ是时间；ｐ是流体微元体上的压力；μ为流体 的动力黏度；ν为流体的运动黏度；Ｆｘ、Ｆｙ和 Ｆｚ微元 体上的体力‚若体力只有重力‚且 ｙ轴竖直向上‚则 Ｆｘ＝0‚Ｆｙ＝—ρｇ‚Ｆｚ＝0；ｃｐ是比热容；Ｔ为温度；ＳＴ 为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为 热能的部分；ｋ是湍动能；ε是湍动耗散率；μｔ是湍 动黏度；Ｇｋ是平均速度梯度引起的湍动能 ｋ的产生 项；Ｅｉｊ是时均应变率；ｉ‚ｊ＝1‚2‚3． 1∙3 边界条件 本文主要涉及以下边界条件：喷嘴入口‚钢管轴 ·124·