中厚板淬火机集管流场的数值模拟与参数优化设计.pdf

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中厚板淬火机集管流场的数值模拟与参数优化设计MediumQuencherNumericalSimulationParametersoptimizationNon—restrained·新设备新技术新产品·朱启建+李谋渭HeaderSteel和dim、pi(i一1，2⋯．，7)分别表示集管进水口赵永忠(北京科技大学100083)FlowandofthePipePlateQijianMouwei国内首套中厚板无约束淬火机由北京科技大学研制，在太钢五轧厂不锈钢热处理生产线一次性试车成功，并正式投入生产。新型淬火机为提高钢板产品质量与生产效率、实现多种热处理工艺提供了保证和条件。集管是该淬火机的最重要部件，其功用是将总管进来的常压水合理的分配到各个喷嘴，从而实现所要求的板宽方向上的喷水强度分布和出口水流速度要求。若集管设计不当，喷水不合理，钢板在淬火过程中会冷却不均，变形不均，严重瓢曲时还会卡在淬火机中，造成．每故。因此，集管设计是实现无约束淬火的关键。利用ANSYS有限元分析软件，建立集管流体流动的有限元模型，对集管流场进行数值模拟，得到了管内流体的流动特性和集管参数对流场的影响。同时，建立了基于喷水强度目标函数的集管结构参数优化设计数学模型，取得了理想的设计效果。集管流场的有限元数值模拟集管结构及其参数集管由集箱、进水管、阻尼板和喷嘴等几部分组成。为讨论和模拟方便，取喷嘴个数为7，并将集管简化为如图1所示的结构。其中，d。、“。、p。冶金设备摘要对中厚板无约束淬火机集管流场进行了数值模拟，得到了管内流体的流动特性；建立了基于喷水强度目标函数的集管结构参数优化模型，取得了理想的设计效果。关键词中圈分类号文献标识码ZhaoYongzhongTechnology，Beijing)前言35—总第129期METALLURGICALEQUIPMENT2001年lo月第5期集管有限元数值模拟优化设计淬火机ZhuLi(UniversityobjectiveKEYWoRDSt作者简介：朱启建，男，1966年生，山东科技大学副教授，北京科技大学在读博士，现从事机械设计及其理论方面的教学与研究工作，曾获山东省科技进步三等奖，发表论文20余篇Total0ctoberSciencesimulationfieldnon—restrainedmediumplatequencherdiscussed．meansoptimization，optimumparametersaimedfunctionelementanalysis0ptimizationl22．1No．1292001TG333．71AABSTRACTfluidflowinheaderpipesteeldesignBycharacteristicnowintensityreached．Finiteatare
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|“差+秽考一一古塞+告c耋+雾，【“塞+口考一一古考+学c嘉+雾，①连续性方程：差+嘉一ol“五十秽万一一万壶十7‘孬十驴’喷水强度相对偏差：△g。，一等【“五十口西一一万方十万‘蟊十驴’Q。一上∑口i和喷嘴出水口的直径、流速、压力，L和厶分别表示集管总长度和喷管间距。管内流体流动的控制方程及边界条件在钢板进入冷却区之前，水流应达到稳定状态，这样才能保证钢板的头部和尾部经历同等强度的喷水过程。所以，研究集管内流体流动可以不考虑初始瞬态过渡过程，只做稳态流场分析。对于集管中的流体一水，其温度基本保持不变，可压缩性也可以忽略，即认为：水温T一常数、密度p一常数。因此，集管管内流体的流动可视为定常不可压缩粘性流体流动，其控制方程为②运动方程：其中：“、秽一分别为流体质点z、y方向的速度分量；户一管内流体的压力；∥一流体动力粘度对于集管内流体流动问题，其边界条件有集管进口、喷嘴出口和壁面三种边界条件。考虑到进口水流已经过较长直管段的充分发展，可认为进口流速均匀分布。所以集管进口边界条件为：喷嘴出口流速是未知的，也是所要求解的，但出口压力为已知，即大气压力。所以，若采用相对压力，喷嘴出口边界条件确定为：户l喷嘴出口一o；固体壁面边界条件：矩l壁面一“。；口I壁面一o集管流场的有限元分析有限元法是根据变分原理求解数学物理问一36一题的一种数值计算方法，利用有限元法对物理问题的模拟，是对真实情况的数值近似。它通过对求解区域划分网格，求解有限个数值来模拟真实环境的无限个未知量。随着计算机软、硬件技术的发展，有限元与多媒体等计算机技术相结合，尤其是大型有限元分析软件的使用，使得有限元的分析结果不仅越来越精确，而且越来越生动、逼真。基于ANSYS的集管流场数值模拟，主要包括集管几何模型的建立、单元类型的确定、材料属性的定义、单元网格的划分、边界条件的施加、求解算法的选取等步骤。鉴于集管几何模