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高速线材控制冷却设备阻力和传热特性研究

作　者: 刘贵川
导　师: 李隆键
学　校: 重庆大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 控制冷却水冷喷嘴阻力特性传热特性数值模拟
分类号: TG335.63
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 59次
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内容摘要

目前，我国已成为世界上拥有高速线材轧制生产线最多、线材产量最大、线材需求量也最多的国家。然而，我国大多数的高速线材轧制工艺都要从国外引进，因此高速线材轧制生产工艺的自主开发很有必要。高速线材轧后控制冷却技术，是影响到线材产品组织性能的关键工艺，也是未来高速线材轧制技术发展的重要方向，而水冷喷嘴的阻力和传热特性是控制整个冷却系统制冷能力的关键。因此，掌握好水冷喷嘴的阻力和传热特性，对自主设计并开发高速线材轧制生产工艺具有重要意义。目前世界上应用最广的控制冷却线为斯太尔摩冷却线，其轧后水冷段的关键部件为水冷喷嘴。本文针对该类型喷嘴内的阻力和传热特性进行了研究。通过分析，在水冷喷嘴结构不变的情况下，影响水冷喷嘴的阻力和传热特性的因素不仅仅是冷却水的流量，穿过水冷喷嘴的线材的直径和速度对它们的影响也不可忽略。本文将通过数值模拟的方法找到各个因素对喷嘴阻力和传热性能的影响规律。利用GAMBIT建立了水冷喷嘴内各种情况下的流体区域的物理模型。并对计算区域进行了网格划分。应用FLUENT求解器对这些模型分别进行了数值求解。通过大量的数值模拟计算，得到了四种规格水冷喷嘴在不同工况下的阻力和传热特性数据，通过对数据的分析，揭示了各个因素（水流量、线材速度、线材直径）对水冷喷嘴的阻力和换热特性的影响规律。在此基础上根据相似性原理得出了水冷喷嘴阻力和换热的计算经验关系式，并利用数值模拟的结果回归拟合得到了具体的计算经验公式。为了能够矫正数值模拟的结果与实际结果之间的偏差，将经验公式计算的结果与线材轧制现场实测得到的结果进行了对比，通过对比分析，将经验公式进行了修正。修正后的计算经验公式便可用于工程实际，为高速线材的控制冷却工艺的设计提供了科学的理论依据。最后将得到的经验关系式运用到线材在生产轧制过程中的温度场仿真中，仿真的结果与实际吻合较好。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
主要符号说明  8-9
1 绪论  9-19
  1.1 线材控制冷却技术简介  9-11
  1.2 国内外的控制冷却技术发展状况  11-16
  1.3 课题的意义  16
  1.4 水冷喷嘴内流动阻力和传热性能的研究现状  16-18
  1.5 研究内容  18-19
2 水冷喷嘴的数值分析模型  19-23
  2.1 水冷喷嘴内流动传热的物理数学模型  19-21
  2.2 冷却水箱内流动传热数值模拟网格建模  21-22
  2.3 数值方法及收敛策略  22-23
3 计算结果及分析  23-51
  3.1 水冷喷嘴的流场特性  23-25
  3.2 水冷喷嘴的阻力特性和传热特性  25-26
  3.3 Φ40/1.5 规格喷嘴的计算结果与分析  26-32
    3.3.1 计算工况  26
    3.3.2 冷却水流量对阻力和传热的影响  26-28
    3.3.3 线材速度对阻力和传热的影响  28-30
    3.3.4 线材直径对阻力和传热的影响  30-32
  3.4 Φ30/1.5 规格喷嘴的计算结果与分析  32-38
    3.4.1 计算工况  32
    3.4.2 冷却水流量对阻力和传热的影响  32-34
    3.4.3 线材速度对阻力和传热的影响  34-36
    3.4.4 线材直径对阻力和传热的影响  36-38
  3.5 Φ17.5/1.5 规格喷嘴的计算结果与分析  38-44
    3.5.1 计算工况  38
    3.5.2 冷却水流量对阻力和传热的影响  38-40
    3.5.3 线材速度对阻力和传热的影响  40-42
    3.5.4 线材直径对阻力和传热的影响  42-44
  3.6 Φ10.5/1.5 规格喷嘴的计算结果与分析  44-50
    3.6.1 计算工况  44
    3.6.2 冷却水流量对阻力和传热的影响  44-46
    3.6.3 线材速度对阻力和传热的影响  46-48
    3.6.4 线材直径对阻力和传热的影响  48-50
  3.7 小结  50-51
4 水冷喷嘴阻力和传热计算经验公式的拟合和修正  51-59
  4.1 Φ40/1.5 规格喷嘴阻力系数和传热系数计算经验公式的拟合和修正  52-54
  4.2 Φ30/1.5 规格喷嘴阻力系数和传热系数计算经验公式的拟合和修正  54-56
  4.3 Φ17.5/1.5 规格喷嘴阻力系数和传热系数计算经验公式的拟合和修正  56-57
  4.4 Φ10.5/1.5 规格喷嘴阻力系数和传热系数计算经验公式的拟合和修正  57
  4.5 小结  57-59
5 线材轧制生产过程中的温度场仿真  59-69
  5.1 线材轧制生产过程中的物理数学模型  59-60
  5.2 边界条件和材料物性的确定  60-61
    5.2.1 线材在空气中的表面换热  60
    5.2.2 线材在穿水过程中的换热  60
    5.2.3 线材在轧制过程中的换热  60-61
  5.3 线材的热物理性质计算  61
  5.4 数值求解方法  61-63
  5.5 代数方程的解  63-65
  5.6 计算程序设计  65-66
  5.7 仿真软件的开发  66-67
  5.8 仿真结果及分析  67-68
  5.9 小结  68-69
6 结论  69-71
致谢  71-73
参考文献  73-77
附录  77
  作者在攻读学位期间发表的论文  77

高速线材控制冷却设备阻力和传热特性研究

内容摘要

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