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基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟

【研究背景】

    随着铝产品消耗的不断增加,众多现代化铝板、带、箔生产线和大型铝型材生产线也相继建设与投产。而铝加工生产的各个环节如熔铸、加热、均热均需要耗费大量的能源。退火是金属加工和成品生产中的关键工序,其目的是改善产品的工艺性能,使其满足所要求的机械性能和使用性能,对产品的质量和产量有很大影响。

    而目前大多数研究都是基于传统的径向加热炉,其加热原理为对流热风从铝卷的下部沿径向进行加热,热量通过铝卷的外层向卷径的芯部一层一层传递,由于铝卷层间存在间隙和油膜,因此在铝卷退火过程中径向等效导热系数要小于其本身的导热系数,从而导致铝卷的对流换热效率低,严重影响退火炉的传热效率,传统径向加热退火炉的传热效率仅在60%左右。因此目前亟需开发一种新型的加热退火炉,进一步提高退火过程传热效率,减少能源消耗,实现铝工业的节能减排。

【工作介绍】

    近日,北京科技大学邱琳副教授(第一作者),冯妍卉教授(通讯作者)团队提出了一种新型的侧喷铝退火炉SAAF),并建立了基于多参考框架(MRF)的三维流固耦合模型来模拟铝卷的退火过程,以提高退火质量和效率,为铝材生产工业的节能提供了理论指导。研究结果表明:基于退火炉内流场和温度场的生动演变,证实了径向分布喷嘴间的多涡对降低SAAF内部流动阻力和风机功率消耗起着关键作用。此外,为了解决退火炉内部温度分布明显不均匀的问题,提出了在风机周围布置导流板的方案,以调整流型,便于喷嘴流量的合理分配。在低风速和标准风速下的标准差和变异系数均有明显减小,大约下降了12%,表明喷嘴流量分布的均匀性有望得到改善。该成果以“Three-dimensional fluid-solid coupling heat transfer simulation based on the multireference frame for a side-blown aluminum annealing furnace”为题发表在国际期刊 Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics 上。

【核心内容】

    本文基于多参考系模型,建立了三维侧喷式铝退火炉流固耦合的数学模型。得到了炉内流场、温度场的演变规律。并结合现场测试数据,对铝退火炉的结构进行了调整,重点研究了导流板的布置对退火炉内喷嘴流量分布的影响机制。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟 图1 侧喷铝退火炉物理模型。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图2 SAAF内z  = 0截面上的速度矢量分布图(区域1、2、3、4分别对应于包含风扇在内的退火炉左上方区域,靠近铝卷轴的右侧喷嘴区,靠近铝卷轴的左上侧喷嘴区和退火炉左下侧喷嘴区。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图3 z =0截面上速度矢量的局部放大图:(a)位置1,(b)位置2,(c)位置3和(d)位置4。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图4 侧面吹铝退火炉的(a)z  = 0横截面和(b)x  = 0横截面的温度分布云图。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图5 铝卷监测点的温度随时间变化的曲线。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图6 空炉状态下(a)z  = 0横截面、(b)x  = 0横截面速度分布图和(c)三维风扇模型。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图7 监视点的物理量与迭代步数的关系(a)风扇的进气流量、(b)1号喷嘴和(c)2号喷嘴的中心轴线的速度。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图8 不同径向位置喷嘴速度实验值与模拟值的对比:(a)外圈,(b)中圈,(c)内圈。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图9 风扇横截面的速度云图:(a)有导向板,(b)无导向板。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图10 安装导向板前后,不同高度处的炉内速度分布云图。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图11 不同喷嘴的速度分布云图(a)无导流板(b)有导流板。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图12 各个位置喷嘴流量分布(a)无导流板(b)有导流板。

基于多参考系的三维侧喷铝退火炉流-固耦合数值模拟图13 有无导流板下,喷嘴流量标准差与变异系数的对比结果。

【参考文献】

Three-dimensional fluid-solid coupling heat transfer simulation based on the multireference frame for a side-blown aluminum annealing furnace; DOI: 10.1080/19942060.2019.1666427

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参考文献:Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics

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