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棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析

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第29卷　第4期河北理工大学学报(自然科学版)Vol129　No14 2007年11月Journa l of Hebe i Polytechn ic Un iver sity(N atur a l Science Editi on)Nov.2007文章编号:167420262(2007)0420047206棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析任吉堂,成慧梅(河北理工大学院冶金与能源学院,河北唐山063009)关键词:穿水冷却;速度场;数学模型摘　要:对棒材穿水冷却装置中冷却管的结构进行了分析,并对其中流体的流态进行了讨论,从理论上计算和解决了冷却介质在冷却管中运动时的速度场问题,给出了不同区域内速度的分布形式,从而为棒材穿水阻力的计算提供了一个基础和前提条件。

中图分类号:TG302　文献标识码:A0　引言热轧棒线材在线穿水冷却是控制、改善和提高棒线材组织性能的有效手段,也是现代化热轧棒线材生产线必需的工艺设备。

目前,在穿水冷却工艺的研究中,既要解决棒材在穿水过程中所受的阻力问题,又要解决穿水冷却设备中的传热问题,而确定冷却器中冷却介质的流速场是计算这些问题的基础条件和前提条件之一,因此研究和解析冷却介质在穿水设备中的流速场问题已成为必然。

只有很好地解决了这个问题,才能准确地预报在穿水设备中棒材所受的阻力,解决棒材的堆钢问题,为棒材的生产提高市场竞争力,同时也带来巨大的社会效益和经济效益。

1　棒材穿水冷却装置的结构流体在冷却管内的流动状态决定了轧件与冷却介质的热交换强度。

本论文研究的冷却装置中的冷却管结构如图1所示,图1给出的冷却管内设置了多个紊流套,每个紊流套之间用内径较大的等内径管作为定位套,构成稳态流动条件。

冷却水通过喷嘴进入一连串的素流套时,除沿棒材轴向高速流动外,由于截面的变化,造成压力的变化,在棒材垂直表面上也有较剧烈的搅动。

水流的两种运动的结合,保证得到了较大的冷却能力,同时也保证了整个截面冷却的均匀性[1]。

图1　冷却管结构图收稿日期6223:2000922　冷却管结构分析流体在冷却管内流动状态决定了轧件与冷却介质的热交换强度。

图2所示了冷却管内通流截面面积沿管子长度变化趋势对流体流动态的影响。

图2　假设的管内径变化与流体流态的关系分析可知,假设流体在等直径管内作层流状态流动,当其进入具有收缩形状部分的时候,流体不会改变其流动状态,但是按着流体运动的连续性条件可知,流体会产生加速流动。

当流体进入突然扩大的内径段时候,流体流态将如图2右段所表示的状态,即由层流状态变为了紊流状态。

这种状态加大了流体与轧件的换热强度。

3　流速场的解析311　层流流动的分析假设流体在等直径管中运动时作层流流动。

设圆管的半径为r 0,流体流速为u (r )。

选取与圆管同轴线、半径为r 的圆柱体作为流束来考虑。

由于流束表面的摩擦切应力τ大小不变,流束的水力半径R =τ2,应用均匀流的基本方程可以得到:τ=ρg r 2J(1) 其中:ρ———流体的密度,kg/m 3;4g ———流体的重力加速度,N /kg;J ———水力坡度,J =h f /l (m )。

而在圆管中作层流运动的流层之间的摩擦切应力τ符合牛顿摩擦定律τ=μd u /d y 。

假设y 是流层到边壁的距离,即y =r 0-r,有:τ=μd u d y =-μd ud r(2)将上面(1)(2)两式联解,消去τ,得:12ρg r J =-μd u d r(3)即:d u =-gJ2vr d r (4) 由于物性参数v (运动粘性系数)是常数,过水断面上各点的水力坡度J 相同,故对上式积分得到:=+(5) 当=时,粘附在边壁上的流速=,由此边界条件得到84 河北理工大学学报(自然科学版) 第29卷　u -gJ 4vr 2c r r 0u 0c =-gJ 4v r 2 代回上式,得到断面上的流速分布式:u =-gJ 4v(r 20-r 2)(6) 它表明流速在圆管断面的r 方向上按抛物线分布。

如下图3所示。

图3　圆管内层流流速分布剖面根据式(6),容易得到圆管轴中心处为断面最大流速:u max =-gJ 4v r 2(7) 和断面平均流速:v =1A ∫A u d A =1πR 20∫r 00gJ 4v (r 20-r 2)(2πr d r )=gJ 8v r 20(8) 断面流量:Q =v A =gJ 8v πr 4(9)比较式(8)与式(9),得:v =12u max即圆管层流流动的断面平均流速是断面最大流速的一半。

312　层流进口起始段层流时圆管断面上的速度分布为抛物面,这个规律并不是刚入管口就能立刻形成,而是要经过一段距离,这段距离称为进口起始段。

之后,速度按抛物面规律分布,称为完全扩展一段。

图4　进口起始段的流速场如图4所示,如果流体从一大容器流入管道,则进口断面处流速是均匀的。

由于粘性,在管壁处的流体粘附在管道壁面上,速度为零。

随着离开管壁的距离的增大,壁面对流体的影响减弱,流速将很快增大,至一定距离处,就接近原来未受管壁扰动的速度。

因此,速度改变现象只发生在紧邻管壁很薄的流层内,这个薄层δ称为边界层或附面层。

附面层沿着流动方向逐渐向管轴扩展。

在附面层内流速向管壁递减为零,根据94　第4期 任吉堂,等:棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析连续性原理,附面层内流速的减小,必将使中部的流速增加。

因此,沿流速方向的各断面上速度分布已不断改变。

假设在离进口处距离为l 1的断面上,附面层已经基本上扩展至管轴,这个断面中心处最大流速已等于完全扩展段断面上最大流速的98%～99%,可以认为该断面的流动基本上已完全扩展。

从进口处至距l 1离就是起始段长度。

层流时起始段长度l 1较大,l 1≈0.058dRe 。

313　紊流流动的分析当流体其进入具有收缩形状部分的时候,由于对冷却管的结构,不会改变其流动状态,但是按着流体运动的连续性条件可知,流体会产生加速流动。

当流体进入突然扩大的内径段时候,流体流态将由层流状态过渡变为了流状态紊。

紊流是一种流态,即使是紊流流动中也并不是整个流场都是紊流。

由于流体具有粘性,紧贴管壁的流体质点将粘附在固体壁面上,流速为零,满足无滑移条件,使得在紧靠壁面很薄的流层内,速度由零很快增至一定值,在这一薄层内,流速梯度很大,因而粘性切应力也很大,而且壁面对这一薄层内的流体质点间掺混也起限制作用。

因此,在紧靠固体壁面处存在厚度极薄的层流层,称为层流底层或粘性底层。

在层流底层之外,还有一层很薄的过渡层,在此之外才是紊流层,称为紊流核心区。

(1)层流底层对于圆管紊流,其层流底层的速度分布应满足(6),即:u =gJ 4v (r 20-r 2)=gJ 4v [r 20-(r 0-y )2]=gJ 4vy (2t 0-y )(10) 由于层流底层很薄,故有y <<r 0、于是上式可近似写成u =gJ2v r 0y (11) 由τ=ρgRJ 知边壁切应力应为τ=ρgr 02J,故:u =τ0μy (12a ) 或无量纲化为:uu 3=u 3vy(12b ) 由式(12)可见,在层流底层中,速度分布近似为直线分布。

实验研究表明,粘性底层的厚度δ0能够表示成:δ0=3218dRe λ(13) 式中;d ———圆管直径;Re ———流动雷诺数,Re =vdv;λ———沿程阻力系数。

(2)紊流核心区圆管紊流分为层流底层、过渡区与紊流核心区三个流层。

在求断面速度分布时,过渡区一般归入紊流核心区。

在紊流充分发展的紊流核心区,粘性切应力可以忽略,切应力取决于雷诺切应力,因此τ=ρl 2(d u d v)r 2(14) 为了积分求出速度分布,必须满足τ、y 与l 的关系。

由均匀流的基本方程可知:τ=τ=τ(y)(5) 根据卡门及尼古拉兹实验结果,混合长为05 河北理工大学学报(自然科学版) 第29卷　r r 001-r 01:l=Ky1-yr0(16)式中:K———卡门通用常数,K=014。

由上述3式(14)、(15)、(16)可得:τ=ρK2y2(d ud v)2(17)　所以:d u=1Ky τρd y=u3Kd yK 积分上式,得u=u3Kln y+C(18) 式中:C———积分常数(需要用实验方法来确定);u3———阻力速度,u3=vλ/8。

对于水力光滑管,利用层流底层外缘流速的连续性条件,假设在y=δ0处u=u b,由式(18)得到:C=U b-U3Klnδ0 又由式(12)得:δ0=μubτ=vu bu23 将C、δ0代回式(18),并无量纲化,得u u3=1Klnu3yv-1Klnubu3+ubu3=1Klnu3yv+C1 根据尼古拉兹的实验结果,上式中的无量纲常数C1=515。

因此,水力光滑管的紊流对数流速分布为:u u 3=2.5lnu3yv+515(19) 由试验得出,紊流速度分布除用上述对数形式表示外,常可近似地用指数方程表示,即:u um a x =(yr)1n(20) 式中:umax———管轴处最大流速;r0———圆管半径;n———指数(随雷诺数的增大而增大,n的取值见表1)。

表1　流速指数分布的n值Re4×103 2.3×104 1.1×105 1.1×106 2.0×106 3.2×106 n 6.0 6.67.08.810.010.0 图5　光滑管内紊流流速分布剖面15　第4期 任吉堂,等:棒材穿水冷却过程中流速场的理论解析如图5所示,在光滑管内紊流核心区流速的指数分布形式。

紊流时由于流体质点的混杂,断面流速分布较均匀,起始段长度l 1较小,l 1≈30d,影响也小,一般情况下可以忽略不计。

4　对计算结果的分析与应用 本文用(6)、(12)和(19)三式确定了冷却管中不同区域内的流速场分布形式。

对一钢筋轧后穿水冷却过程中的冷却管内流速场的分布进行了ANSYS 模拟,图6即为模拟出的结果,它与本文理论分析得到的流速场分布基本上是一致的。

图6　轴向速度场的分析而棒材与冷却介质之间存在相对运动,将坐标固定在物体上来研究这些运动,则都成为物体静止流体运动的绕流运动形式。

当运动的粘性流体流过一物体时,大量实验表明,整个流场分成两个速度分布特征明显不同的区域。

在靠近物体表面附近的流动区域1和其外面的流动区域2。

区域1是速度从物体表面处的零值经过一段很短的法向距离就变成物体外面的势流速度值。

区域2的粘性作用很小,因而忽略其作用而将流体当作理想的来处理,所造成的速度分布的误差不会很大,因此可以用上述的计算公式来进行计算。

流动区域1的速度分布可以参考层流底层的流速分布计算。

因此,在棒材的穿水过程中,采用本文给出的流速场分布以及流速场的理论计算数学模型,我们可以用来模拟棒材穿水冷却过程中的阻力问题,进而控制棒材在轧制过程中堆钢事故的发生。

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水在裸管中流动不结冰的最低流速计算

水在裸管中流动不结冰的最低流速计算

水在裸管中流动不结冰的最低流速计算1. 概述水在裸管中流动时，当温度下降到一定程度时会发生结冰现象。

而对于某些需要水在裸管中流动的工程和设施，如供水管道、防冻喷洒系统等，结冰会给正常使用带来极大的困扰。

为了防止水在裸管中结冰，需要进行最低流速的计算。

2. 影响水在裸管中结冰的因素水在裸管中结冰的主要因素包括流速、温度、管道材质等。

在这些因素中，流速是最为关键的因素之一。

当水的流速过低时，水在管道中停滞时间会增加，容易发生结冰。

3. 计算最低流速的方法为了计算水在裸管中不结冰的最低流速，需要考虑以下几个方面：3.1 温度首先需要确定管道所处环境的温度，一般来说，温度越低，需要的最低流速越高。

温度对结冰的影响是显而易见的，因此在计算最低流速时必须将温度考虑在内。

3.2 管道直径和材质管道的直径和材质也会影响水在裸管中结冰的情况。

较小直径的管道会在相同流速下产生更大的阻力，从而需要更高的流速来防止结冰。

而管道材质的导热性也会影响结冰的速度。

3.3 流速计算公式利用流速计算公式可以计算出最低流速值。

常用的公式包括 Manning 公式、柯西公式等，这些公式可以根据管道的具体情况进行选择和应用。

4. 实例分析以下通过一个实例来分析如何计算水在裸管中不结冰的最低流速。

假设某供水管道处于-10°C的低温环境中，管道直径为0.3m，材质为钢铁。

根据Manning公式，流速计算公式为：V = 1.486/n * R^(2/3) * S^(1/2)其中，V为流速，n为Manning系数，R为水的湿周，S为水深。

Manning系数和水深可以根据实际情况进行估算和测量。

通过代入具体数值，可以得到该管道在-10°C环境下的最低流速值为多少，从而确定如何设置水流速来防止结冰。

5. 结论水在裸管中不结冰的最低流速是一个重要的工程计算问题，对于需要水长时间流动的管道和设施，保证其不结冰至关重要。

通过对温度、管道直径和材质等因素的综合考量，并利用流速计算公式，可以得到合适的最低流速值。

金属凝固理论 第4章 液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动

金属凝固理论 第4章 液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动

3） 金属的凝固温度
金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表 面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，致使铸件断 面温度场出现较大的梯度。如有色金属与钢铁相比，其温 度场较平坦。
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（2）铸型性质的影响 1）铸型的蓄热系数
铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大， 铸件内的温度梯度就越大。铸型的导热系数越大， 能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸 型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度 也就大。
向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸 件内温度场较平坦。
2）铸件的形状 铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。
向外凸出的部分，散出的热量被较大体积的铸型 所吸收，铸件的冷速较大，如果铸件内凹的表面， 则相反。
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三、铸件的凝固方式及影响因素
TL
TS
L
S+L S
第四章 液态金属凝固过程 中的传热、传质及液体流动
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第一节 凝固过程中的传热
在材料成形过程中，液态金属的过热热量和 凝固潜热主要是通过传导而释放的。
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一、凝固过程中的热传导及傅里叶方程
温度场基本概念: 稳定温度场： 不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函 数），其表达式为：
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T n
Tw Tf
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凝固过程中，热量传递有三种形式：传导、辐射、 对流。
以热传导为主。 热传导过程取决于温度的分布——温度场：温度
随空间和时间的变化。 T = f（x，y，z，t） Fourier热传导方程：
模具冷却通道的流体动力学

模具冷却通道的流体动力学

模具冷却通道的流体动力学一、模具冷却通道的流体动力学概述模具冷却通道是模具设计中的重要组成部分，其主要作用是在注塑或铸造过程中快速、均匀地将模具内的热量传递到冷却介质中，以实现模具的快速冷却。

流体动力学作为研究流体运动规律的科学，在模具冷却通道设计中扮演着至关重要的角色。

通过深入研究流体动力学，可以优化冷却通道的设计，提高冷却效率，缩短生产周期，提升产品质量。

1.1 模具冷却通道的流体动力学特性模具冷却通道的流体动力学特性主要包括流体的流动状态、流动速度、压力分布、温度场分布等。

这些特性直接影响冷却通道的冷却效果和模具的使用寿命。

流体的流动状态可以分为层流和湍流，其中湍流状态下的换热效率更高。

流动速度的快慢决定了热量传递的速率，而压力分布则影响流体的流动方向和速度。

温度场的分布则直接关系到冷却的均匀性和效率。

1.2 模具冷却通道的设计原则在设计模具冷却通道时，需要遵循以下原则：首先，冷却通道应尽可能均匀地分布在模具的各个部位，以实现热量的均匀传递；其次，冷却通道的形状和尺寸应根据模具的具体形状和生产需求进行优化设计；再次，冷却通道的布局应考虑到流体动力学的特性，以确保流体的流动顺畅，避免产生涡流和死区；最后，冷却通道的材料选择也应考虑到其热传导性能和耐腐蚀性能。

二、模具冷却通道的流体动力学分析方法模具冷却通道的流体动力学分析是确保冷却通道设计合理性的关键步骤。

通过采用不同的分析方法，可以预测流体在冷却通道中的流动行为，评估冷却效果，从而指导冷却通道的优化设计。

2.1 数值模拟方法数值模拟是当前应用最广泛的流体动力学分析方法之一。

通过建立流体流动的数学模型，利用计算机软件进行数值求解，可以模拟流体在冷却通道中的流动状态、速度场、压力场和温度场。

数值模拟方法具有灵活性高、适应性强、成本相对较低等优点，但同时也存在计算精度受限于网格划分和计算方法等局限性。

2.2 实验测试方法实验测试是通过在实际或模拟的冷却通道中进行流体流动测试，直接测量流体的流动速度、压力、温度等参数，以验证数值模拟结果的准确性和评估冷却通道的实际冷却效果。

穿水冷却时间对三级螺纹钢的影响

穿水冷却时间对三级螺纹钢的影响

实用技术一、三级螺纹钢20MnSiVNb20MnSiVNb是典型的低碳微合金高强度建筑工程结构用钢，其屈服强度高于400MPa，是典型的HRB400三级螺纹钢，用途极为广泛。

三级螺纹钢筋是在20MnSi钢基础上添加微合金元素铌钒而来。

三级螺纹钢具有强度高，性能稳定，安全储备量大，抗震性能好，节省钢材，施工方便等优越性，因此其更适用于高层，大跨度和抗震建筑结构用钢。

二 、穿水冷却工艺的在棒材生产中的重要性使用棒材穿水冷却技术，生产螺纹钢筋能保持棒材连轧机高速轧制、高产、高效率的优势和小规格切分轧制的特点；穿水冷却的工作重点在于控制冷却，对现有K1孔以前的轧制操作不作要求，工艺参数无变动，产量无影响，对现有轧制设备的电机功率和轧机强度无高要求；采用棒材穿水冷却技术之后，由于降低了轧件上冷床温度，可以减少冷却时间，对于国内实际产量明显高于设计能力的棒材生产线，可以解决冷床面积不足的问题，产量可以得到一定提高；穿水冷却还可以降低微合金元素，生产出各项性能指标全面提高的HRB400 螺纹钢筋，降低成本；另外，穿水冷却使得生产过程的控制条件比较宽松，生产过程较稳定。

三、 棒材穿水冷却的控制原理和技术关键1. 棒材连轧穿水冷却控制原理水冷却技术生产螺纹钢筋的原理是：棒材在再结晶区的连轧过程中可以使奥氏体强烈大变形，造成极细的、强烈硬化的、具有大量缺陷的奥氏体晶粒。

对上述奥氏体施以高冷却速度的强化冷却，在很短时间内，一般不能大于0.5s，迅速冷却到相变温度附近，抑制奥氏体晶粒长大，尽量保持奥氏体的硬化状态。

温度处于相变点附近细小的硬化奥氏体晶粒在适当的空气冷却条件下，从容地转变为适度晶粒大小的铁素体。

2. 棒材穿水冷却的技术关键①冷却时间短。

②冷却速度高。

③严格控制终冷温度。

棒材穿水冷却技术用于螺纹钢筋生产，控冷终止温度要求高于材料的再结晶温度。

如果明显低于再结晶温度，钢筋表面容易形成一薄层淬火、回火组织。

淬火、回火组织一旦形成，将破坏螺纹钢筋的强屈比和焊接性能。