摘要：根据流体动力学原理，建立了中厚板控冷设备的水动力学模型，分析了流动能量损失，用VB开发出水力学性能参数计算系统。利用该系统，只要输入设备的结构参数，就可以计算出设备的性能参数。经检验，计算值与实测值比较误差不超过5％，该计算系统为控冷设备的设计和现场使用提供了依据。
关键词：中厚板；控冷设备；水动力学
而控制冷却通过控制轧后钢板的冷却速度和返红温度，以达到改善钢材组织和机械性能的目的。北京科技大学与多家钢铁厂合作开发的高密度管层流冷却系统，采用多项先进技术，设备冷却能力强(最好冷却厚度达250 mm，对于6～40mm厚的钢板可以实现淬火处理)，控制精度高，板型平直，质量均匀。达到国际先进水平[1]。
1 控冷设备描述
控冷设备由高位水箱，中位水箱，高中位水箱连接管道，上下集管，。J二下集管进水管等组成，见图1。
高位水箱的水来自水泵房，其上装有溢流装置，保证水位稳定。水经过连接管道到达中位水箱，中位水箱用来将水均匀分配到各个集管，每个集管进水管都装有流量调节阀，用来调节集管流量，集管有很多出水管，上集管采用U形出水管出水(见图2)，下集管采用直管出水，此外，为了保证每个出水管横向出水均匀，在集管内部设立了阻尼管和阻尼板(图2上未画出)，其上开有很多孔，水流经过这两道阻尼后就可以达到出流均匀的目的。
控冷设备的水力学性能参数有总系统流量，总流速度，每个集管流量，上下集管流量比，出水口出流速度，射流打击钢板速度、压力和面积等，这些参数是反应了设备冷却能力，是设备设计时的依据。而设计时的结构参数有高位水箱高度，连接管道直径和长度，集管进水管的直径和长度，阻尼管和阻尼板的板孔直径和个数，U形出水管和直出水管的出水孔直径和个数，阀门开启角度等。
2水动力学计算原理
高位水箱的水位是稳定的，要计算上下集管出水口的水流速度，采用伯努利方程。
实际流体的伯努利方程为：
Z1+p1/ρg+α1v21/2g=z2+P2/ρg+α2v22/2g+hf (1)
式中：z1，z2为两断面的高度；P1，P2为两断面水的压强；v1，v2为两端面水的速度α1，α2为由于速度不均匀引起的动能修正系数，a≈1；hf为两断面之间的水头损失。
取高位水箱自由水面为第一端而，分别以上下集管的出水口为第二端面，则z1，z2，已知，压强取相对压强，则第一端面的压强为大气压强取O(这里采用相对压强)，出水口也是大气压强O，由于高位水箱的水位稳定，所以速度v1也等于0，这样计算上下集管出水口速度的伯努利方程可以简化成：
h0=hu+v2d/2g+hfu (2)
h0= hd+v2u/2g+hfu (3)
式中h0——高位水箱水位
hu，hd——上集管和下集管出水口高度
vu，vd——上集管和下集管出口速度
hfu，hfd——上集管出水的总水头损失和下集管出水总水头损失
(2)式用于计算上集管出水速度，(3)式用于计算下集管出水速度，可以看出，计算出口速度的关键是确定水头损失，而水从高位水箱到出水受到了各种能量损失，下面一进行分析。
3 水头损失分析
从高位水箱到集管出水的总水头损失包括管道内损失，集管内损失和阀门损失。
3．1 管道内的水头损失
水在管道中的损失包括沿程损失和局部损失。沿程损失是指水流过等径直管道的能量损
失；局部损失是指水经过弯管道，变径段，水表，进出口时流体运动受到扰动而产生的损失。
管道的沿程损失与管道的长度成正比，与水的平均速度的平方成正比，与管道直径成反比，普遍采用达西公式计算沿程损失：
Hf=λ۰l/d۰v2/2g (4)
式中的称为沿程阻力系数，它并不是一个常数，它与流动状态和管道粗糙度有关，可以表示为f(Re，Δ/d)，式中Re是雷诺数，它是表征流体运动状态的物理量，等为管道相对粗糙度。影响沿程阻力系数的规律比较复杂，有很多学者做过研究，这里不作深入探讨，仅将用于计算λ的公式列于表1 [2]。
表中的雷诺数Re=vd/v，其中v是管道水的速度，d为管道直径，ν是水的粘度。表中有的公式结构较复杂，不能直接求出，可以先将一个λ的估计值代入公式右端，从左端求出新值，再将新值代人公式右端，如此反复二三次即可求出λ的准确缸。
管道中局部损失的产生原因比较复杂，一般采如下公式计算：
Hf=ε)v2/2g) (5)
这是一个简化的计算公式，它将产生局部损失的各种复杂因素归结为一个系数∈，称为局部损失系数，不同的局部损失形式具有不同的局部损失系数，一般靠实验得出具体的数值。在本计算模型中的局部损失形式主要有(1)管道入口损失，一般取ε=1；(2)管道出口损失；一般取ε=1。(3)弯管损失。弯管损失的ε可按下面的经验公式计算：
Ε=[0.131+1.847(r/R)3.5]۰(θ/90) (6)
式中：r为管道半径；R为弯道半径；θ为弯管角度。
3．2 集管内损失
集管内的损失包括出水管损失、阻尼管损失和阻尼板损失。
上集管由U形管出水，下集管由直喷嘴出水。从图2中可以看出，水流过U形管和直喷嘴的能量损失可以细分为出口局部损失，弯管损失和管道沿程损失。可按上面介绍的公式计算。
水流流过阻尼管和阻尼板的损失可以看成一种局部损失，按公式(5)计算。其中局部损失系数可按下面的公式计算：
式中的K表示阻尼管和阻尼板的开孔总面积与整个板面积的比值，K<1。
3．3 阀门损失
阀门的损失也是一种管道局部损失。仍然采用公式(5)计算水头损失，其局部损失系数见表2[3]．
4水力学性能参数的计算
4．1 出口速度
将从高位水箱起，经管道，中位水箱，阀门，集管,出水管各个部位的水头损失用上面介绍的公式表示出来，其中的各项速度v根据流量方程用，vu、vd表示，代入（2）（3）式，分别计算出上下集管出水速度。
4．2 集管流量和系统总流量上集管流量为：
Qu=(π/4)d2umuvu (8)
式du为U形管直径，Mu为单个上集管U形管个数。
下集管流量为：
Qd=(π/4)d2dmdvd (9)
其中dd为直喷嘴直径，md为单个下集管直喷嘴个数。
系统总流量为所有开启集管流量之和。
4．3 上下集管水量比
上下集管水量比是关系到钢板上下表面冷却均匀性的一个重要参数。如果集管布置形式是一对一(即一个上集管对应一个下集管)，则上下集管水量比为1：(Qd／Qu)，如果集管布置形式是一对二(一个上集管对应两个下集管)，则上下集管水量比为l：(2 Qd／Qu)。
4．4 射流冲击特性
单个射流冲击钢板特性包括冲击直径、速度和压力。
对于上集管，设射流对钢板的冲击速度为v’u，则：
式中：hu为上集管出水口高度；h1为钢板高度。
根据流动连续性原理，可求出射流的冲击直径d’u：
利用上面所有的冲击速度，根据动量定理，可求出射流冲击压力Pu[4]
Pu=ρ[v2u+2g(hu-h1)] (12)
同样，可求出下集管射流的冲击速度，冲击直径和冲击压力：
4．5 上集管射流不断流长度
上集管射流如果发生断流，则会严重影响钢板的冷却均匀性。通过计算不断流长度L来判断射流是否发生断流，不断流长度L与出口速度vu以及U形管直径du有关，根据经验公式[5]得：
L=6.5(vu۰du)0.375 (16)
4．6 下集管射流密实高度
为了判断下集管射流是否能到达钢板下表面，需要先计算下集管射流的密实高度。向上的自由射流在顶部将会散开成水滴，考虑这以因素，可用经验公式计算此密实高度[6]：
h=0.82v2d/2g (17)
5程序实现及应用
本计算系统采用微软的vb6．O编写程式和界面。
程序的参数输入有：高位水箱水位，辊道标高，高中位水箱连接水管直径、长度、根数，各类集管(控冷设备共有大上集管，大下集管，中上集管，中下集管，小上集管和小下集管共六类集管)的设计参数，阀门的开启角度等。程序的输出有：总流量，总管流速，同组集管上下集管水量比，各集管流量，进水管流速，出口速度，打击钢板速度、直径和压力，各上集管的不断流长度，下集管的密实高度等。
由于输入的参数较多，如上所述共有71个，为了使用方便，程序中加人了存储功能，对每一套设备，只要第一次输入好所有的参数，保存起来，以后就可以随时调用出来使用。此外，由于程序计算时用到的某些系数如各局部阻尼系数，阀门阻尼系数，以及管道粗糙度等都不是确定的，很多都是经验得到的，不同的设备这些系数可能不同，因此，程序中增加了系数设置调整功能，使用时，可以根据计算结果和实际测量的数据比较，适当调整这些系数，以使计算更加精确。
为了验证该计算系统从模型建立到程序实现的正确性，我们把将该计算系统用于舞钢，太钢，武钢等多家钢铁厂的控冷设备，其计算结果与实测结果相差不到5％，现以舞钢控冷系统为例。由于系统参数较多，这里不一一列出，仅将流量计算结果与实测流量结果进行比较。
6 结 论
根据流体动力学原理，建立了中厚板轧后控冷设备的水动力学模型，开发出水力学性能参数计算系统。该系统已经过舞钢，太钢，武钢等多家企业的控冷设备的检验，计算误差不超过5％。该系统不仅可以应用于控冷设备的设计，还可以用于现场对流量和其他冷却性能的预测，以方便现场使用时手动调节。
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