非晶薄帶銅輥冷卻流道的數(shù)值模擬分析

程舟濟 張斐然 雷威

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.006

摘? 要：對非晶薄帶制取過程中的冷卻銅輥進行了研究，根據(jù)冷卻銅輥內(nèi)的實際參數(shù)，建立換熱過程計算模型。采用流-固耦合傳熱方法對該過程進行數(shù)值模擬分析，得到冷卻水體的流場、壓力場以及溫度場分布，并探討三者之間的相互關(guān)系。通過改變銅輥水環(huán)厚度，分析冷卻水體壓力場與溫度場分布，得到了不同水環(huán)厚度對銅輥冷卻效果的影響。

關(guān)鍵詞：冷卻銅輥;流場;壓力場;溫度場;數(shù)值模擬

中圖分類號：TG139;TP391.9? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0019-04

Numerical Simulation Analysis of Cooling Channel of?Amorphous Thin Strip Copper Roller

CHENG Zhouji，ZHANG Feiran，LEI Wei

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan? 430064，China）

Abstract：In this paper，the cooling copper roller in the production process of the amorphous thin strip is studied. According to the actual parameters in the cooling copper roller，the calculation model of the heat exchange process is established. The fluid-structure interaction heat transfer method is used to make numerical simulation analysis of the process，and the distribution of flow field，pressure field and temperature field of the cooling water body are obtained，and the relationship among the three are discussed. By changing the thickness of copper roller water ring，analyzing the distribution of pressure field and temperature field of the cooling water body，the influence of different water ring thickness on the cooling effect of copper roller is obtained.

Keywords：cooling copper roller;flow field;pressure field;temperature field;numerical simulation

0? 引? 言

非晶態(tài)合金是由超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，得到短程有序、長程無序的組織結(jié)構(gòu)，同時不具備傳統(tǒng)金屬材料固定的晶粒和晶界^[1]。非晶薄帶的制取采用快速凝固工藝與技術(shù)，平面流鑄（PFC）是常用的快速凝固的方法之一^[2]，具有設(shè)備簡單、操作方便、材料致密和成本低廉等特點^[3]。

冷卻銅輥是非晶制帶設(shè)備中的核心部件，其對熔潭的冷卻效果直接影響非晶晶粒結(jié)構(gòu)及電磁性能的變化^[4，5]。冷卻銅輥通過內(nèi)部循環(huán)的冷卻水將熱量交換并帶走，冷卻銅輥內(nèi)部流道的形式和結(jié)構(gòu)是直接影響薄帶質(zhì)量的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外學者針對非晶薄帶制取過程中的銅輥進行了研究，LI Yong等^[6]針對銅輥的結(jié)構(gòu)，建立了銅輥的冷卻過程的傳熱模型;張偉堂^[7]計算了超導熱急冷設(shè)備和銅急冷設(shè)備下非晶合金快速凝固冷卻速率，得到在銅輥表面涂鎳和不銹鋼對合金快速凝固的影響;李福森^[8]等利用Fluent軟件對雙向回流式螺旋流道的流延輥的換熱過程進行了數(shù)值模擬，得到了流延輥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、水流量對換熱強度的影響。

本文基于銅輥的冷卻水流道，建立內(nèi)流道計算模型并進行數(shù)值模擬，得到了冷卻水體的流場、壓力場以及溫度場分布。

1? 冷卻流道建模

1.1? 冷卻水流道結(jié)構(gòu)設(shè)計

非晶薄帶制取時，熔融態(tài)的合金液從坩堝底部的狹縫噴嘴中流出，在噴嘴和銅輥表面狹窄的縫隙之間迅速形成熔潭，當熔體接觸到冷卻銅輥表面時發(fā)生熱量交換迅速凝固，高速旋轉(zhuǎn)的銅輥將凝固成型的薄帶從熔潭中迅速甩出。

冷卻銅輥及內(nèi)流道結(jié)構(gòu)主要包括密封法蘭、支撐內(nèi)芯、換熱銅輥以及主軸等組成，如圖1所示，在銅輥的正上方表面接觸到熔潭，為熱量交換區(qū)域。冷卻水從主軸的進水口流入，并經(jīng)主軸上小孔進入冷卻銅輥左側(cè)內(nèi)流道，沿內(nèi)芯徑向擴散至熱交換區(qū)域。融化的合金液噴射到冷卻銅輥上方，形成熔潭，熱量通過熱傳導方式進入銅輥，并與內(nèi)芯冷卻水發(fā)生熱交換，經(jīng)過熱量交換的冷卻水經(jīng)過銅輥右側(cè)內(nèi)流道以及主軸小孔匯集到主軸的右側(cè)出水口流出。

1.2? 冷卻水流道模型建立

為了提高計算速度、簡化計算模型，對該數(shù)值模擬過程進行適當簡化：

（1）冷卻水對換熱銅輥的冷卻過程主要集中在熔潭與銅輥表面的換熱區(qū)域，而薄帶在被拉出熔潭后溫度快速下降，因此忽略薄帶與銅輥表面的熱量交換。

（2）熔潭的尺寸相對于冷卻銅輥很小，在計算過程中簡化熔潭為長142.00 mm、寬1.15 mm、高0.40 mm的長方體塊，整體為合金液的溫度。

（3）根據(jù)格努塞爾數(shù)計算得到冷卻水與密封法蘭、支撐內(nèi)芯的換熱系數(shù)，在計算模型中省略密封法蘭和支撐內(nèi)芯。

（4）在其他較小的換熱區(qū)域內(nèi)，忽略熱量傳遞，均看作為絕熱壁面。

（5）忽略該過程熱輻射對于換熱效果造成的影響。

基于以上簡化，得到冷卻流道的換熱計算模型如圖2所示，由熔潭、換熱銅輥以及流道冷卻水3個部分組成。

銅輥流道的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

1.3? 邊界條件及初始條件

1.3.1? 邊界條件設(shè)置

針對建立的換熱模型，對邊界條件進行設(shè)置。

其中各個參數(shù)的初始設(shè)置如表2所示。

1.3.2? 初始條件設(shè)置

主軸高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)定水體計算域和換熱銅輥計算域的旋轉(zhuǎn)速度與主軸的旋轉(zhuǎn)速度保持一致，即繞Z軸的圓周運動轉(zhuǎn)速為300 rev/min;設(shè)置環(huán)境壓強為標準大氣壓，初始溫度為298 K;設(shè)置整個計算域的初始溫度為298 K;設(shè)置初始湍流強度為中等強度，有助于計算結(jié)果快速收斂。

2? 結(jié)果分析

2.1? 流場分析

根據(jù)以上設(shè)置的條件對冷卻流道換熱模型進行數(shù)值模擬計算，得到換熱銅輥冷卻水體的流線圖如圖3所示。從圖中可以看出，主軸高速旋轉(zhuǎn)，帶動水體速度產(chǎn)生較高的旋轉(zhuǎn)分量;冷卻水由入口水環(huán)進入入水流道時，由于內(nèi)壁的阻擋，流體切向速度逐漸減小為零，法向速度逐漸增大;冷卻水流出入水流道進入水環(huán)速度突增并產(chǎn)生分流，一部分迅速流入出水流道，另一部分碰撞到密封法蘭，速度反向，疊加流體域旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向速度，冷卻水在水環(huán)產(chǎn)生渦旋;進入出水流道的冷卻水速度先減小后增大，流入出口水環(huán)。

根據(jù)流場得到速度矢量圖如圖4所示，從圖中可以看出，速度達到最高值出現(xiàn)在入水流道右壁面位置、水環(huán)與入水流道交界處、出水流道右壁面位置，速度的峰值約為8.8 m/s。水道壁面隨主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角速度，冷卻水受旋轉(zhuǎn)影響，不斷接觸到水道右壁面，根據(jù)壁面無滑移條件，壁面會對冷卻水提供法向力，從而使冷卻水流動加快;由于水環(huán)厚度小于流道深度，根據(jù)流體連續(xù)性方程，流體進入水環(huán)速度會增加，并且速度方向呈現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)方向相反的輻射狀分布，如圖4（a）中放大圖。

圖4（b）為水環(huán)中的速度矢量分布，根據(jù)矢量箭頭的疏密反應(yīng)流量的大小，長短則代表流速的大小，可以看出在相鄰的流道之間，流量變小并且根據(jù)箭頭方向得到在水環(huán)中形成了周期性的回流。

2.2? 壓力場分析

如圖5所示為數(shù)值模擬得到的流體域壓力場分布，可看出由于離心力的作用，壓力隨距主軸軸線的距離變大而增大，并在水環(huán)處達到最大。在內(nèi)流道與水環(huán)的接觸位置，壓力會出現(xiàn)一定的回落，是因為速度在該處方向發(fā)生了變化，壓力出現(xiàn)一定的損失，從而導致壓力降的產(chǎn)生。同時在水環(huán)內(nèi)環(huán)，相鄰流道中間由于出現(xiàn)周期性的回流出現(xiàn)壓力升。

根據(jù)壓力場分布可以計算得到流道出口與入口的壓降為ΔP=7.1×10⁴Pa，壓降在一定程度上反映了流體在流動時能量的損失，因此在生產(chǎn)中，應(yīng)適當減小出水口相對入水口的壓力降。

2.3? 溫度場分析

如圖6所示得到銅輥最高溫度出現(xiàn)在與熔潭接觸的位置，即熱量集中交換區(qū)域，該處最高溫度為747.5 K。換熱銅輥的溫度場近似一組同心圓，分別代表不同的等溫線;由于內(nèi)流道出口流體方向的改變，會在一定程度上造成壓力損失，在銅輥內(nèi)壁與水環(huán)接觸位置，溫度場出現(xiàn)周期性的溫度峰值，根據(jù)圖6（a）在水環(huán)上出現(xiàn)周期性回流區(qū)域，不利于熱量的傳遞，熱量的積聚提高了溫度。根據(jù)圖6（b），銅輥截面的溫度分布，等溫線梯度出現(xiàn)沿換熱銅輥旋轉(zhuǎn)方向分量，通過計算得到銅輥內(nèi)表面平均溫度為337.3 K。

冷卻水的溫度分布如圖7，換熱主要集中在水環(huán)外表面，等溫線呈層狀分布，構(gòu)成一組近似的同心圓。冷卻水形成的回流區(qū)域，不利于溫度的耗散從而形成環(huán)狀高溫區(qū)。在該條件下，測得水環(huán)外部最高溫度為354.5 K，平均溫度值為330.3 K，出口的平均溫度值為304.5 K。同時根據(jù)水道截面圖可以得到與銅輥內(nèi)側(cè)發(fā)生換熱集中在水環(huán)的外表面，而在水環(huán)內(nèi)側(cè)，水溫升高幅度很小。

根據(jù)對冷卻銅輥內(nèi)流道數(shù)值模擬得到，內(nèi)流道的設(shè)計采用輻射直流道，方便加工、降低成本的同時，可以有效實現(xiàn)對熔潭的換熱，以實現(xiàn)非晶薄帶的連續(xù)生產(chǎn)。

3? 結(jié)? 論

依據(jù)設(shè)備參數(shù)簡化設(shè)計出銅輥冷卻流道結(jié)構(gòu)，建立物理模型、劃分網(wǎng)格并進行數(shù)值模擬，得到生產(chǎn)參數(shù)下冷卻水的流場、壓力場以及溫度場;并分析在不同流量下水環(huán)厚度的溫度場以及壓力場變化情況，得到了冷卻銅輥傳熱過程及溫度分布規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

（1）冷卻水由入水流道流出，速度方向發(fā)生改變并受主軸旋轉(zhuǎn)作用，會在水環(huán)處形成周期性回流。

（2）受在水環(huán)中形成的回流影響，不利于熱量的傳遞，會形成周期性溫度集中均布在水環(huán)上。

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作者簡介：程舟濟（1989—），男，漢族，湖北黃岡人，工程師，碩士，研究方向：船舶系統(tǒng)。

收稿日期：2021-04-06