基于流量分配均匀性的集箱设计探究

刘兴发　皮兴红　李奎　蒋超

摘要：集箱是热轧带钢冷却系统的重要装置，其流量分配均匀性是影响钢板性能的重要因素。为了提高集箱支管流量分布均匀性，本文结合理论分析对集箱内的阻力系数、压力分布规律、支管流量分布均匀性系数进行了研究，采用分段设计方式对不同段支管内的节流孔板进行了设计，并通过数值模拟对各支管分配流量进行了分析。结果表明，采用不等直径节流孔板能更好的提高集箱分配流量均匀性，有利于提高轧线冷却系统性能。

关键词：集箱;压力分布规律;流量分布均匀性;节流孔板

0  引言

热轧带钢快速冷却系统通过控制板带轧后温度，能有效改善钢板的机械性能，提高钢板强度。而层流冷却装置是快速冷却系统的关键设备，各喷嘴流量分布均匀性是精确控制带钢冷却温度的关键因素。因此，针对层流冷却装置的量分配进行优化计算具有重要意义[1-2]。

层流冷却装置通过控制集箱的压力分布来控制各喷嘴的流量均匀性。张润来等采用fluent对U型和Z型两种管组分布模型进行了仿真分析，发现总管与支管的截面积比值对管组流动均匀性有较大影响，减小集箱入口速度能提高支管流量均匀性[3]。罗永浩等建立了并联管路系统的流量分配模型，但模型忽略了流体进、出支管时控制体损失的动量[4]。朱玉琴总结了管组流量分配的计算方法，并分析了集箱中的摩擦系数和动量交换系数等相关参数[5]。杨元龙对采用数值模拟方法研究节流孔板流域的压降特性、湍流结构及温度场分布规律，并基于阻塞压差的理论设计方法，对节流孔板的孔径、级数和厚度进行了计算[6]。

本文结合理论计算与流场仿真分析方法对集箱压力分布进行了分析，并基于集箱压力分布规律及分段设计思想，对各段支管内的节流孔板孔口直径进行了设计。

1  集箱设计理论

层流冷却的水从高位水箱通过管路流出，由进检修阀，调节阀，流量计、快速关断阀，进入进水分配装置，通过上集箱的分配支管流出，到达板带上表面进行冷却。上集箱的水流直接决定板带的冷却速度、强度、表面质量，其要求上集箱出来的水流均匀、稳定、流量准确，它是整个层流冷却装置最关键核心设备。上集箱采用双排支管，分别布置两边的结构，水流进入集箱内，通过节流孔板及支管流出，到达板带表面进行冷却。（图1）

1.1 集箱内压力分布规律

根据流体力学伯努利原理，集箱的入口处的流速快，压力低，到了集箱的另一末端，速度逐步降为0，压力升高[7]。从集箱入口到另一末端，压力逐渐升高。因此采用变质量动量方程求解其沿轴向的压力分布。在上集箱上取一微元段dx，对微元dx的控制体进行动量守恒得：

式中：Vx为由于集箱中流体不垂直进入支管而产生的轴向分速度，m/s;D为集箱直径，m;λ为集箱内流体摩擦系数。

设Vx=CfV，Cf称为动量交换系数，可通过实验测定，我国电站锅炉水动力计算时取Cf=1.24[8]。

实际使用中要求各支管流量分配均匀，且支管间间距较小，左右两排呈交叉分布，集箱内流体可以近似为均匀分布，故假设集箱内流速按线性分布，即：

式中，V0为集箱中最大流速，即入口处流速，m/s;x为距进口距离，m;L为集箱总长，m。

因此，由上述假定可得到集箱中的压力分布，而沿集箱轴向不同位置处的压力Eu可由式（3）求得：

式中，λ为集箱摩擦阻力系数;p0为集箱入口压力;p为沿集箱轴向的压力分布，V0为集箱中最大流速，即入口处流速。其中p0可由伯努利方程求得，取水箱液面与集箱入口断面建立方程如式（4）所示：

式中：z1，z0分别为水箱水位与上集箱安装高程，单位m;p1水箱液面压力;hw为水箱液面至集箱入口断面的管道沿程水头损失，详细计算见文献[9]。

1.2 阻力系数

由于支管总数为n，支管直径d与集箱直径D之比d/D和孔间距s较小，面积比nd2/（4DL）也较小，支管进口射流造成的粗糙峰引起的摩阻增加导致的压力损失可忽略 不计。另一方面，在多孔集箱中下个分支点的来流是上个分支点的出流，而集箱内流体流入支管时，由于流体分流使边界层破坏不能充分发展造成摩擦阻力减小，故各分支点的摩擦系数都会有所下降。因此，由上述两种原因，导致的多孔管摩擦系数可以近似认为与光滑管相同。

光滑管的摩擦系数需根据管内雷诺数Re进行计算：

边界雷诺数：

式中：Δ为钢管常见粗糙度，0.03-0.07。

一般管道流动处于湍流水力光滑区，即4000>Re105时，？姿=0.0032+0.221/Re0.237。

1.3 节流孔板

由于集箱入口处压力低于集箱端部的压力，若采用相同的直径的节流孔板，就可造成集箱的出水量分布不均匀，造成板帶的温降不均匀，影响板带重量。

若忽略支管进口节流孔板处的局部损失，流体沿集箱轴线方向的压力分布几乎等于各支管进口节流孔板处的压力，流体在支管中流动的动力为管路两端的压差，即支管进口节流孔板处压力p（集箱内对应位置处压力）与出口大气压之间的压差。因此节流孔板孔径可按下式计算[13]：

式中：Dk为节流孔板的孔径，mm;G为通过孔板的流量，t/h;ρ为介质密度，kg/m3;ΔP为孔板前后压差，MPa。

1.4 流量均匀性系数

根据孔口出流公式：

式中：μ为流量系数，根据水动力学，薄壁管口出流取0.61。

流量分配系数：采用流量分配系数Kqi对集箱中各支管的流量分配均匀性进行评价。

式中：Qi为单根支管实际的体积流量，m3/s;Qmean为支管体积流量的平均值，m3/s。

2  结果验证

采用六面体网格对流体域进行网格划分，并对节流孔板处进行网格加密，网格数量为200万。集箱进口为压力进口，为26.6667m3/h，出口为大气压，模型采用k-e RNG模型[10]。支管流量分布系数如图2所示。

由图2可知，集箱中流线分布不紊乱，介质流动速度随距进口距离增大而逐渐减小，各支管介质流动速度较大于集箱中流动速度。集箱中压力随距进口距离增大而逐渐增大，因此若采用等直径的节流孔板，则流量分布不均匀性系数变化较大，靠近进口部位支管的流量将偏小，尾部支管的流量将偏大，这对冷却系统性能造成不利影响。而采用分段计算节流孔板直径的方式能大大提高流量分布均匀性系数，提高冷却装置性能，改善轧线钢板质量。

3  总结

通过理论分析集箱内流动阻力系数，压力分布规律，并采用分段设计的方法计算节流孔板直径，大大提高了热轧带钢快速冷却系统流量分布均匀性系数，有利于更精确控制板带轧后温度，有效改善钢板质量。

参考文献：

[1]江连运，热轧带钢超快速冷却技术的研究与应用[D]沈阳：东北大学，2015.

[2]潘大龙.中厚板超快冷恒压供水及流量精度控制设计与应用[D].鞍山：辽宁科技大学，2012.

[3]张润来，方一红.并联管组模型流动均匀性分析[J].天津科技大学学报，2007，2（2）：45-48.

[4]罗永浩.锅炉管组集箱静压分布的离散模型[J].动力工程，1997（3）：32-36.

[5]朱玉琴.并联管组流量分配规律的研究[J].节能，2006，25（2）：5-7.

[6]杨元龙.船用锅炉给水再循环管路上的节流孔板设计与优化[J].中国舰船研究，2015，10（5）：99-103.

[7]罗惕乾，程兆雪，谢永曜，等.流体力学[M].北京：机械工业出版社，2011：54-80.

[8]JB8659-1997，热水锅炉水动力计算方法[S].

[9]DL/T 5054-1996，火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].

[10]张功辉，黎志航，周志鸿.基于Fluent流场数值仿真的管路流量计算[J].液压气动与密封，2010，30（6）：41-43.