摘  要：利用有限元耦合场数值模拟计算方法对热轧钢板雾化冷却进行模拟，在固定喷嘴到热轧钢板距离H的情况下，得出喷嘴喷射角度对热轧钢板雾化冷却的影响，并对在有重力作用下的雾化冷却影响进行了分析研究。

关键词：控制冷却；喷雾冷却；热轧钢板；数值模拟

     控制冷却技术是控制轧后钢板的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的，是为了细化铁素体晶粒，减少珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果而采用的控制冷却工艺0“。随着国内外对控制冷却技术的极大重视，已形成喷水冷却、喷射冷却、气雾冷却、层流冷却、水幕冷却、高密度层流冷却等多种冷却形式^[2][3]。

    喷雾冷却技术由于具有较高的传热速率而广泛应用于高温物体表面的冷却，在冶金、化工、核电等工业部门中作用尤为突出。随着喷嘴雾化技术的不断进步，纯水雾化冷却技术用于热轧中厚板控制冷却的研究也开始得到院校和科研机构的重视^[3～7]。

    本文以热轧中厚板为研究背景，应用有限元软件建模，通过计算喷嘴在不同喷射角度下纯水雾化冷却钢板时钢板温度的变化，总结出喷嘴喷射角度与钢板冷却均匀性的规律。这对纯水雾化控制冷却技术在热轧中厚板的应用上具有一定的指导作用。

1  基础理论及模型说明

1．1  基础理论

    流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。相应的流体力学基本方程就有：连续性方程、运动方程、能量方程，这3个方程可用微分形式如下表示：

  式中，p是流体密度，t是时间，u_i是i方向上的流体速度；P是静压，τ_ij是应力张量，pgi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力(如离散相相互作用产生的升力)；E为流体动能和内能之和，k_eff是有效热传导系数，Ji是组分扩散流量，方程(3)右边的前3项分别描述了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。S_h包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项。

    如果流体包含有不同成分的混合和相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。

    对不同的工程计算问题可使用不同的湍流计算模型。标准k—w模型是基于Wilcox k一w模型，为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。Wilcox k—w模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。K Heyerichs and A．Pollard使用k- w模型和采用了壁面函数以及低雷诺数Re修正的k—e模型来预测湍流狭缝冲击射流的传热特性。

比较发现：k一w模型对射流冲击传热的预测效果最好，而采用了壁面函数的k一￡模型的性能很差，不推荐用来对复杂流动的模化[8]。Chen等人用k一w湍流模型数值研究了带封闭板的湍流狭缝淹没射流垂直冲击壁面时的传质特性，其中假定壁面的浓度是不变的，研究雷诺数Re的范围为450～20 000，普郎特数Pr或施密特数Sc为1-2 400，冲击面之间的间距H与狭缝射流出口宽度B之比为H／B=2～8，计算了湍流冲击射流在高Sc数时的流场和浓度场，并用已有的流动、传热和传质实验数据对计算结果进行了评价。总的来说，在冲击区内用k一w模型预测的结果与实验数据的偏差大约在10％之内[9]。

1．2  模型的建立

    本文采用的是k-w湍流数学模型和压力雾化喷嘴的简化物理模型，冷却介质为雾化水，冷却对象为热轧钢板，材质为碳钢(w(C)约为0．5％)，其相关特性为：密度=7 840 kg／m³，质量定压热容cp=465 J／(kg·K)，热导率λ=29 w／(m·K)，初始温度为1 053 K。

    为便于计算分析，对喷雾模型进行了如下简化：(1)假设初始钢板温度均匀分布，钢板的各向传热特性相同；(2)不考虑喷嘴的具体结构，按喷嘴的公称直径来建立模型；(3)不考虑热辐射传热以及液滴的沸腾传热。基本模型和模型有限元网格划分如图1和图2所示。

    本文是在固定喷嘴到热轧钢板的距离H下，喷嘴喷射角度γ从O⁰～60⁰不同情况下分别进行的控制冷却数值模拟，冷却时问为1 s，并对同一喷射角度下的重力作用的影响进行了比较。

1．3  不同喷射角度下的热轧钢板表面雾化冷却特性

    不考虑重力影响，选取不同的喷嘴喷射角度，根据模型计算出的热轧钢板表面纯水雾滴的蒸发速度和换热系数变化曲线如图3和图4所示。蒸发变化曲线和换热系数变化曲线在驻点区域附近基本重合；在较远区域随着角度的增加曲线产生偏移，移动幅度随角度的增加而减小。总体来说，在x小于零的区域，对角度的变化不敏感。在钢板表面距驻点距离z大于零的区域，随着角度的增加，在较远区域内热轧钢板表面蒸发速度和换热系数都随着角度的增加而明显减少。图3和图4的曲线变化反映在热轧钢板表面温度的变化曲线上如图5所示，喷射角度在0⁰～30⁰时曲线变化相对平稳，区域内温差变化较小。由此可见，在实际生产中，考虑热轧钢板沿x方向前进，要想获得在x方向上较均匀的热轧钢板温度，可对喷嘴喷射角度在O⁰～30⁰范围进行调整。若配合改变其它工艺参数，可得到较好的钢材性能。

1．4  不同喷射角度下重力作用对雾化冷却的影响

纯水雾化，喷嘴在不同喷射角度下，考虑有重力影响时的上喷射热轧钢板表面温度T_sp和下喷射热轧钢板表面温度T_xp以及无重力影响时的上喷射热轧钢板表面温度T，进行对比，如图6所示。

    从图6中可以看出，Tsp与T相差较小。尤其是在热轧钢板表面x大于零的区域，在角度大于20。时两条曲线基本重和在了一起。而Txp与Tsp，相差较大。但随着喷嘴喷射角度的增加，在钢板表面x大于零的区域，Txp与Tsp相差逐渐变小，在50⁰时钢板表面温度Txp、Tsp和T基本完全重合，但此时钢板的表面温度下降量很小，与初始的钢板表面温度1 053 K相差不大，这是因为到达该区域的水雾滴已经很少的原因。而在钢板表面x小于零的区域，随喷嘴喷射角度的变化，表面温度Txp、Tsp和T基本变化不大，这是因为喷射角度的不同，并没有改变热轧钢板近表面层上水雾层的密度，热轧钢板表面对于空间上水雾质量有所增加只是增加了通过热传导传递的热量，因为传导特性不发生变化，所以传递的热量只与时间有关，而蒸发雾滴的热量没有发生根本性的变化，所以对不同的喷嘴喷射角度，重力在该区域的影响不大。

2  结  论

    (1)蒸发变化曲线和换热系数变化曲线在x小于零的区域，对角度的变化不敏感，在x大于零的区域，随着角度的增加，在较远区域内热轧钢板表面蒸发速度和换热系数都随着角度的增加而明显减少；

    (2)喷射角度在O⁰～30⁰范围，热轧钢板表面温度曲线变化相对平滑，在x对称的区域钢板表面温度差较小；

    (3)在热轧钢板表面z大于零的区域，考虑有重力影响时的上喷射热轧钢板表面温度Tsp和下喷射热轧钢板表面温度Txp相差逐渐变小，在喷射角度50⁰后基本重合，但此时钢板冷却温降很小；

    (4)在热轧钢板表面x小于零的区域，随喷嘴喷射角度的变化，考虑有重力影响时的上喷射热轧钢板表面温度Tsp和下喷射热轧钢板表面温度Txp以及无重力影响时的上喷射热轧钢板表面温度T变化不大。

                                                               (北京科技大学机械工程学院，北京100083)