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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·