机械强制通风条件下料卷冷却室冷却效果.pdf

嘛砑而i 些E R R O U SM E T A L S E N G I N E E R I N G d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 - 1 7 4 4 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 8 机械强制通风条件下料卷冷却室冷却效果 圜崔文1 王国勇1 杨春辉2 1 ．洛阳理工学院计算机与信息工程系河南洛阳4 7 1 0 2 3 2 ．中色科技股份有限公司河南洛阳4 7 1 0 0 1 摘要针对机械强通风铝板带料卷冷却室内空气流场，采用标准肛s 模型对稳定冷却状态时铝板带料卷温度变 化进行数值模拟。分析流道结构对铝板带料卷冷却的影响，模拟结果与实验结果基本吻合。 关键词铝板带；冷却室；计算流体动力学；数值模拟 中图分类号T P 3 9 1 ．9 ；T K 2 8 4 文献标志码A 文章编号2 0 9 5 - 1 7 4 4 2 0 1 3 0 1 - 0 0 4 0 - 0 4 制料卷材的冷却是大型铜铝板带箔材加工厂工程设 计和工厂生产管理的难题，难点在于为保障料卷性能不 能使用冲水冷却等其他方式。在南山热轧卷库项目设计 中首次采用引入室外新风对高温料卷强制吹风冷却的方 式，由于通风冷却室的设计缺乏冷却效果的计算公式或 经验公式及准确冷却曲线，因此要取得合适的流场，必 须对铝板带料卷冷却室的气体流场进行相应的研究⋯。 料卷冷却室设计相关文献少，相关的仿真模型也缺 乏针对性。针对制料卷材的冷却室流场设计，对冷却室 中的气体流场进行建模及数值模拟仿真，结合试验结果 对料卷冷却室的设计及改进提供理论依据。 1 计算模型 铝板带料卷冷却时，风机将冷却空气经风道从条缝 风口射入箱体，与料卷进行热交换后从出风口排出，铝 板带料卷冷却室结构如图1 所示，冷却室最多可放置4 料卷套筒 图1 冷却室结构 造成的能量耗散，气体流动应符合质量守恒方程和动量 守恒方程；3 出风口静压箱体为绝热表面。 对于不可压流体的运动，流体流动要受质量守恒定 律、动量守恒定律和能量守恒定律的支配”】，它们的雷 诺时均方程式 1 至式 3 所示，式中U 。分别代表直角 坐标系下瞬时速度的三个分量；P 为密度；t 为时间；Ⅳ 为动力黏度；P 为压力；r 为温度；k 为传热系数；c 。为 比热容；s 为广义源项。 个料卷，研究放入3 卷不同尺寸料卷时的情况。 由于在冷却过程中使用气体介质，料卷的温度鸷船w 。n 是料卷与周围空气之间辐射、对流和传导的热传递结果Ⅲ。 对冷却过程中的流场进行稳态分析，在建模时对流体有 以下假设1 气体为理想气体，恒定的牛顿流体 即速 度梯度变化时，动力黏度不变 ；2 在冷却时，要求气体 的流动呈湍流状态，忽略工作介质的温度变化以及温差 o u ／o x T O 1 p o u i ／o t i p o u ，u j l o x 。叫。2 u ／o x 7 - o p l o x , - S , 2 p o T ／o t p o u 。T l o x T k ／c p ’／．t 0 2 T ／o x j 2 品 3 值得说明的是在z 方向动量方程的源项￡中包括浮 收稿日期2 0 1 2 1 2 0 3 作者简介崔文 1 9 件 ，男，河南洛阳市人，讲师，硕士，主 要从事计算机网络安全和系统仿真等方面的研究。 4 0 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 升力项，采用B o u s s i n e s q 假设，将流体密度视为常数。在 动量方程中，二阶关联项一p u 。7 U i7 也称雷诺应力或湍 流应力，它代表脉动速度对时均流动的影响。雷诺应力 项的出现，导致雷诺时均方程不封闭。为了使之封闭，必 须将雷诺应力项模型化，工程实际中常用的是湍流涡黏 性系数模型。如取湍动能K 和湍能耗散率s 的传输方程， 就构成了应用广泛的K - e 方程模型。K - c 模型主要有3 种 形式，标准K - e 模型、R N G K - e 模型和R e a l i z a b l e K - E 模型。 R e a l i z a b l eK - e 模型在处理高应变率及收敛性等许多方面 均优于其他两个模型，所以采用R e a l i z a b l eK - e 模型对雷 诺时均方程求解”。6J 。 在能量方程的源项品中包括了辐射热量，由D O 辐 射模型求得。D O 模型的主要思想是对辐射强度的方向 变化进行离散，通过求解覆盖整个4 丌空间角的一套离 散方向上的辐射输运方程而得到问题的解”1 。空间中某 一位置的4 丌空间角的每个象限被分割成N O №个辐 射立体角方向，日和妒分别为经／纬度角。有多少个立体 角方向，D O 模型就求解多少个输运方程。立体角的离散 精度决定求解的精度，但是，增加立体角的精度会使计 算量急剧增加。 2 模拟计算与结果分析 采用C F D 软件F L U E N T 进行数值计算，研究对象 为箱体、进出风E 1 和料卷组成的区域，如图2 所示。湍 流模型采用R e a l i z a b l eK - e 湍流模型，近壁区采用标准壁 面函数法处理。为考虑温差引起的浮升力的影响，采用 B o u s s i n e s q 假设。采用定热流边界条件，入口处的逐时温 度作为进风口温度，出风E l 处的静压约为0 ．6k P a ，进风 口设为速度入口，出风口设为压力出口。 卜J 掣 也N ／／ 采用混合网格技术，使用四面体和六面体网格。结 构化网格占网格总数的7 0 ．7 2 ％，图3 显示了对称断面处 的网格分布。这种网格划分方法可以减少节点，节省计 算时间，同时保证主流计算区域的计算精度。 通过在计算域中建立纵剖面，可以计算冷却室的轴 面速度并将结果利用速度矢量图表示，可以直观地展示 流场的特征，图4 显示在冷却室四个料卷断面风速矢量 的状态。 ◇◇ z b 图3 对称断面网格分布图 ＼ 口 猢 r ◆拳 簿留 图4 冷却室内风速矢量图 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期4 1 ～寨～ 万方数据 I 看么金磊工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 总的看来，在冷却室中各料卷截面流场速度呈现明 显的循环流动趋势，速度由入E l 到出口逐渐增加，在出 口达到最大值。然而，速度的大小在同一断面上并不是 均匀分布的，在料卷中心速度最小。从细节方面来看，由 于气流的循环运动，冷却室内流场的压力分布具有较好 的周期性分布规律。图4 显示出了明显的层状分布特性， 即从中心到外，压力逐渐增大，在靠近最外处达到最大。 左右风1 3 形成的射流在箱体中心线附近相互抵消，为冷 却的较薄弱环节，如果将左右两侧风1 3 错位布置，将增 加此区域的扰流，可提高冷却效率。 3 模拟仿真结果验证 为了与实验结果进行比对分析，以1 5m i n 为时间 步长，分别对冷却室中顺序放置三个料卷 料卷尺寸见 表1 进行了数值模拟计算。由于实验台上风机功率为4 8 k W ，运行时风道断面平均风速为1 7 ．5r r g s ，断面处的风 量约为1 0 00 0 0m 3 ／h ，条缝进风口处 进风I l 速度 的风 速约为1 0m ／s ，在计算得到的速度场和压力场的基础上， 通过后处理计算得到三个料卷的模拟冷却过程中逐时温 度，温度曲线如图6 所示，得到降温速度见表2 ，得到出 风口温度等绘制出图7 。 表1 料卷尺寸 ／m m p 2 0 划 鸡 1 0 O 实验测试方法是分别在冷却室内中三个料卷的侧面 靠近套筒处、靠近卷边缘处和板面中心处设置温度测点 在冷却室左右风道直管段的侧面选取截面，在每个测量 断面上选取了3 0 个测点，见图5 。每1 5m i n 测量风机入 口温度、条缝进风口风速和箱体出风口静压、温度，绘制 出实验冷却曲线，如图6 所示，冷却速度等参数汇总于 表2 ，得到进出口温度如图7 所示。 冷却室可将冷却时间控制在8 ～1 0h ，而传统自然冷 图5 冷却室温度测量断面 时间／h 图6 一个料卷至三个料卷实验和模拟冷却曲线 时间／h 图7 进出风I 1 温度曲线 却需要两天左右时间，这样大大缩短了冷却时间，提高 了冷却效率，可有效解决传统自然冷却方法生产周期长， 占用流动资金多，需要原料堆场面积大的问题。由图6 可 知，实验和模拟的冷却曲线拟合较好，说明此模型适用 于此冷却室的数值模拟，可利用此模型改进和优化冷却 室的结构或预测冷却时间。 4 结论 冷却过程中，冷却室气体流场设计合理，才能保证 加工过程中气体流动稳定、均匀，使降温效率符合设计 4 2 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 雨雠％一m“B丽虿 皴一一℃一mm m一一一℃一；刍舛蛇～一一一她们们一聆泐℃一拟弼螂孽臻 万方数据 要求。通过流体动力学数值模拟及实验验证可知，利用 数值模拟结果作为理论指导来设计合理的冷却流道是可 行的。 在设计冷却流场时必须考虑从数值模拟结果知进 出口温差逐渐减小，说明冷却效率降低，应通过增加空 气扰动的方法提高换热效率；在箱体中心线处左右风口 形成的射流附近相互抵消，气流速较低且有一定影响范 围，因此将左右风1 2 1 错位布置，将增加此区域的扰流，保 证冷却区域均有流速均匀的冷却气体，可提高冷却效率。 参考文献 [ 1 ] C u iW e n ，Y a n gC h u n h u i ．R e s e a r c ho nE f f e c to fC o o l i n g w i t hAk i n do fC o o l i n gC h a m b e rf o rA l u m i n a mM a t e r i a l C o i lB a s e do nC F D [ C ] ／／I C C S E E ．H a n g z h o u ，C h i n a X i 。a n T e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y , 2 0 1 2 7 3 7 6 ． [ 2 ] 张鹏．控制轧制和控制冷却应用及发展[ J 】．重庆钢铁高 等专科学校学报，1 9 9 3 ，8 1 3 2 3 6 ． 【3 ] 王连生，肖红林．大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿 真方法[ J ] 计算机应用与软件，2 0 1 1 ，2 8 9 1 7 9 一1 8 1 ，1 9 0 ． [ 4 】邵明玉，杨茂，陈凤明．旋翼翼型动态失速特性的数值仿 真研究[ J 】计算机仿真，2 0 1 2 ，2 9 7 7 0 7 4 ． [ 5 ] 龚旭，谷正气，李振磊．侧风状况下轿车气动特性的仿真 与实验研究[ J ] 系统仿真学报，2 0 1 2 ，2 4 6 1 3 0 8 1 3 1 2 ． 【6 ] 郑贤臣．几种辐射模型在F l u e n t 中的应用[ J 】现代科技， 2 0 0 9 ，8 11 6 8 7 0 ． 【7 ] L a s h e rWC ，S o n n e n m e i e rJR ．A na n a l y s i so fp r a c t i c a l R A N Ss i m u l a t i o n sf o rs p i n n a k e ra e r o d y n a m i c s [ J 】J o u r n a l o fW i n dE n g i n e e r i n g a n dI n d u s t r i a lA e r o d y n a m i c s ，2 0 0 8 ，9 6 1 4 3 - 1 6 5 ． 上接第3 2 页 表4M 5 6 4 0 循环使用次数对铜萃取率的影响 3 结论 国外某富氧化铜矿硫酸浸出溶液铜浓度高，采用 3 5 ％M 5 6 4 0 6 5 ％煤油萃取体系，在合适的相比条件下，经 3 ～5 级萃取，铜的萃取率在9 5 ％以上。负载有机相使用 含铜2 5g ／L 和H S O 。1 8 0g ／L 的模拟铜电积废液为反萃 剂，在相比为1 的条件下，经2 级反萃，富铜液含铜3 8g ／L ， H S O 。1 6 0g ／L ，可以满足铜电积工艺的要求。 萃余液铜浓度因再生有机相含有一定浓度的铜会相 应提高，由于萃余液返回铜矿浸出工序，故对铜的回收率 不造成影响。 铜矿搅拌浸出实际溶液1 0 轮次循环萃取试验结果表 明，萃取剂稳定性好，浸出溶液中无破坏M 5 6 4 0 结构物质 存在。 用M 5 6 4 0 从高浓度铜溶液中萃取分离铜的工艺是可 行的。 参考文献 [ 1 ] 吴芳，吕军．铜萃取剂M 5 6 4 0 从硫酸镍溶液中分离铜 的应用研究[ J 】五邑大学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，1 8 1 2 5 2 8 ． 【2 ] 杨佼庸，刘大星．萃取[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 5 2 0 ．4 4 ． [ 3 】俞小花，谢刚，杨大锦，等．高铜高锌硫酸溶液中铜的萃 取分离[ J ] 有色金属，2 0 0 8 ，6 0 2 5 1 - 5 4 ． 【4 ] 朱祖泽，贺家齐．现代铜冶金学[ M 】．北京科学出版社， 2 0 0 3 6 3 8 6 5 6 ． 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期4 3 万方数据