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1‚2） 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＜12‚D 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