水平连铸水冷系统流场及温度场的仿真研究

论文摘要

本文首先从N-S方程出发,运用标准k-ε湍流模型对五种不同冷却水出入口结构的水平连铸结晶器冷却水套内冷却水流场进行了计算,以图形的形式反映出了冷却水在五种结构的水套中的流速分布情况。发现结晶器冷却水套冷却水出入口的结构对冷却水在水套中的流速分布有较大影响。以流场的计算结果为基础,本文根据能量守恒定律,使用直接差分法计算了该五种不同冷却水出入口结构的水平连铸结晶器冷却水套内冷却水的温度分布,并以图形的形式将其反映出来。根据图形反映的结果可掌握冷却水由入口到出口过程中的整个温度变化情况,从而为生产过程中提高铸坯质量提供理论指导。通过对几种不同结构的结晶器冷却水套内流场及温度场的计算及比较分析,本文得出:在冷却水的出口及入口处,由于其几何转折比较剧烈,因而容易在其附近出现小范围的高流速低温区域,这将影响到水套内冷却水温度分布的均匀性;为了减小此区域对水套冷却均匀程度的影响,在设计水套时可采用多入口方式,并让所有入口沿结晶器周边方向均匀分布,这样便可使这些小区域连成一片,提高冷却的均匀性,但过多的冷却水入口会给制造过程中的机械加工带来困难,因此在设计时应当本着在保证冷却均匀的前提下尽量使制造过程简单的原则;另外,冷却水的不同进入方向对水套内流场及温度场也有影响,若是冷却水入口垂直进入水套,则入口与水套的交点所在的水平直线上将会出现一个低流速高温区域,若是冷却水入口切向进入水套,则入口与水套的交点所在的水平直线上将会出现一个高流速低温区域,并且,冷却水入口切向进入的水套在冷却的均匀程度上要明显高于入口垂直进入的水套;为了提高冷却水对铸坯冷却的均匀程度,在设计冷却水套时应让冷却水垂直于结晶器的轴向切向进入水套,并采用多入口沿结晶器周边均匀分布的方式,如本文中第五种四入口切向进入的水套就明显优于本文其他几种结构的水套,且其制造工艺并不复杂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 序言
• 1.1 连铸工艺简介
• 1.1.1 连铸技术的发展
• 1.1.2 连铸机的分类
• 1.2 水平连铸简介
• 1.2.1 水平连铸技术的发展
• 1.2.2 水平连铸的特点及优点
• 1.3 研究内容、目的及意义
• 1.3.1 研究内容介绍
• 1.3.2 国内外发展现状
• 1.3.3 研究目的及意义
• 2 流场仿真计算
• 2.1 湍流模型及基本方程
• 2.1.1 标准 k-ε模型
• 2.1.2 RNG k-ε模型
• 2.1.3 Realizable k-ε模型
• 2.1.4 雷诺应力模型
• 2.2 湍流模型的选择
• 2.3 网格的划分
• 2.4 边界条件及初始条件的确定
• 2.4.1 水套几何尺寸的确定
• 2.4.2 冷却水在入口处的流速（初始流速）
• 2.5 流场数值模拟及其结果处理
• 2.5.1 基本方程
• 2.5.2 标准 k-ε模型
• 2.5.3 方程离散化
• 2.5.4 方程的求解
• 2.5.5 计算结果与分析
• 2.6 对其他结构水套流场的计算及分析
• 2.6.1 改变冷却水出入口方向
• 2.6.2 采用双入水口
• 2.6.3 采用四入水口
• 2.6.4 改变四入水口的入水方向
• 2.7 本章小结
• 3 温度场数值模拟
• 3.1 结晶器传热介绍
• 3.2 直接差分法介绍
• 3.2.1 基本公式推导
• 3.2.2 直接差分法的稳定性条件
• 3.3 网格的划分
• 3.4 边界条件及初始条件
• 3.4.1 温度初始条件
• 3.4.2 热物性值及其他条件
• 3.5 温度场数值模拟及结果分析
• 3.5.1 公式推导
• 3.5.2 计算结果与分析
• 3.6 对其他结构的水套温度场计算结果分析
• 3.6.1 改变冷却水的出入口方向
• 3.6.2 双入水口结构
• 3.6.3 四入水口结构
• 3.6.4 改变四入口的进入方向
• 3.7 本章小节
• 4 比较分析与结论
• 4.1 比较分析
• 4.1.1 单出入口不同出入方向的比较
• 4.1.2 切向出入单入口与双入口的比较
• 4.1.3 切向进入两入口与四入口的比较
• 4.1.4 四入口不同进入方向的两种结构比较
• 4.2 结论
• 5 与其它环节的衔接
• 5.1 结晶器冷面温度
• 5.2 结晶器的锥度
• 5.3 冷却水的初始温度及初始流速
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢