平整機封閉罩內部流場仿真分析

鄭凱 王毅

（中冶南方工程技術有限公司 湖北 武漢 430223）

1 前言

平整機在高速連續(xù)軋制時，會產生大量軋制粉塵，通常會在機組出口側靠近軋輥輥縫的位置設置防纏導板等除塵設備，通過除塵系統(tǒng)去除掉主要的粉塵。即便如此，還是會剩下不少顆粒細小的粉塵聚集在平整機內部，因此需要將平整機封閉起來，把剩余的粉塵通過吸風罩抽走。本文通過對氣流速度場進行數(shù)值模擬，為封閉罩以及吸風罩的結構設計提供理論依據。

2 分析計算

2.1 揚塵及吸塵的機理［1，2］

粉塵是由氣體攜帶著，攜帶粉塵的氣體稱之為含塵氣體。吸塵機理見圖1。揚塵時，由于振動力和溫度的作用，含塵氣體具有一定的能量，向四周擴散。擴散的狀態(tài)是等速曲線圖如圖1（a）所示。在同一條曲線上，各個點的擴散速度相同，用Vk以表示。靠近塵源比值最大，向外逐漸減小，最外層Vk=0。

圖1（b）中的曲線亦是等速度曲線，速度用Vx表示。罩口外某一點的Vx與該點到罩口距離的平方成反比。罩口吸氣時，在罩口外速度衰減很快。罩口處的速度用V0表示。把吸塵罩置于揚塵處，如圖1（c）中任意一點，只要Vx＞Vk，吸塵罩就可以把該點的含塵氣體吸入罩內。圖1（c）中，Vk=20m／s的曲線的一部分被Vx=20m／s的曲線包圍，曲線上被包圍的區(qū)域各點的含塵氣體可以被抽吸，但是未被包圍的區(qū)域各點的含塵氣體不一定就不能被抽吸。Vk=20m／s曲線上的粉塵繼續(xù)向外擴散，擴散速度隨之下降，待下降到Vk=10m／s的位置時，Vk=10m／s的曲線大部分被Vk=10m／s的曲線包圍，大部分可以被抽吸。

圖1 吸塵機理圖

含塵氣體可以被抽吸多少、在哪一個部位上被抽吸，取決于揚塵量、揚塵強度、抽吸力度和抽吸位置等因素。

2.2 平整機封閉罩的結構

封閉罩是平整機本體周圍由型鋼、鋼板做成半封閉的結構，底部是敞開的。在平整機的頂部，在操作側、傳動側、入口側和操作側，分別設置四個吸風罩，再將四個吸風罩的出口連接起來，總管連到除塵器和風機，通過煙囪排出廠房。

圖2 平整機封閉罩及吸風罩

2.3 封閉罩內部流場技術分析

利用CFD數(shù)值模擬的方法分析，采用Fluent軟件對平整機封閉罩的氣流進行模擬，得出封閉罩內的氣流速度場分布，分析除塵效果。

2.3.1 仿真計算的幾何模型

進行平整機封閉罩的虛擬仿真計算時，采用Reynolds時均的不可壓縮連續(xù)性方程、動量方程及標準k-epsilon方程構成封閉方程組模擬平整機封閉罩內部流場的湍流運動，并對氣流的運動進行分析，基本方程的表達如式（1）-式（4）所示［3］：

連續(xù)性方程：

動量方程：

2.3.2 邊界條件

對于封閉罩內部氣流速度，按照固體壁面無滑移邊界條件處理，封閉罩四周是關閉的，圍護結構保溫性能良好，避免按絕熱邊界處理，帶鋼的入口和出口，封閉罩的底部為空氣進口，邊界條件為壓力入口，相對大氣壓0 Pa，內部氣流從封閉罩的出口排出。因為除塵風機的壓力、流量、功率參數(shù)已經確定，整個管道的流速設計為20m／s，因此吸塵罩的出口管道也應按20m／s考慮。

圖3 封閉罩幾何模型

2.3.3 模擬計算

整個封閉罩在入口和出口、操作側和傳動側均呈對稱結構，因此取1／4流場模型進行分析，可以極大地減少計算時間。二維模型是對模型的簡化，利于建模和計算，其精度可以滿足工程上的需要。用Inventor軟件對流場建模，導入ANSYS中，利用ANSYS ICEMCFD軟件進行網格劃分，在ANSYS FLUENT的流體動力學分析模塊中進行流體動力學分析，然后在求解器中求解。

從圖4可以看到計算過程收斂很快，分析結果如圖5-7所示。根據封閉罩的流速場分析，可以得出以下結論：

圖4 收斂殘差圖

圖5 速度流場

（1）吸塵罩的出口內部壓力—300Pa；

（2）速度離吸塵罩口越遠，衰減越快，速度云圖和理論上的分析是一致的，靠近支撐輥的區(qū)域，氣流的流速約為10m／s；

（3）角落有氣流旋渦存在。

2.4 封閉罩結構改進

從圖6速度云圖可以看到，封閉罩左上角區(qū)域氣流流場比較紊亂，可以在此設置導流隔板，然后重新建模，再進行有限元分析后，得到速度云圖如圖8-10所示。

圖6 速度云圖

圖7 壓力云圖

圖8 速度云圖

圖9 壓力云圖

從圖10速度流線圖可以看到，氣流順著斜隔板向下流動，該處的流速約為7m／s，可以在斜隔板的底部安裝收集槽，收集下落的鐵粉，定期清理。

圖10 速度流場

2.5 粉塵粒徑計算

通過現(xiàn)場實地取樣、送樣檢驗確認粉塵的成份，對污染物粉末進行的激光粒度分析測試顯示，平均直徑為105.79μm［4］，大直徑的顆粒基本上被防纏導板上的除塵管吸走，只剩下一些細小的顆粒。由于實際生產時粉塵微粒的直徑較小，在計算流場時可忽略其對氣體流場的作用。

根據氣固兩相流體力學的基本原理，固體粉塵在氣體中作自由懸浮時的速度V0，可根據如下斯托克斯公式計算［5］：

式中：ds—粉塵直徑，m；

ρs—粉塵密度，kg／m3；

ρa—空氣密度，kg／m3；

C—阻力系數(shù)；

g—重力加速度，kg／s2。

從速度云圖看到，支承輥附近的氣流流速約為10m／s，根據以上公式，可以反算出能吸走的粉塵顆粒直徑d約為500μm。

3 結束語

利用FLUENT軟件對干式平整機封閉罩內部氣流的速度場進行數(shù)值模擬，根據氣流速度的分布范圍與大小確定吸風罩的安裝位置；根據模擬計算的結果對封閉罩進行了改進，增設導流隔板，增設粉塵搜集槽；可以計算出吸風罩能夠捕捉的粉塵顆粒直徑大小；為封閉罩的結構設計提供了指導。通過現(xiàn)場使用驗證，除塵效果顯著，收到了良好的效果。