第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景及意义
新中国成立以来就一直高度关注着钢铁行业的发展。在过去的 40 年当中，我国的经济建设步伐不断加快，伴随着经济的快速发展，我国对钢铁产品的需求也大大增加。目前钢铁产业已成为中国经济建设的支柱型产业之一。从 1996 年开始，我国的钢铁产量一直稳居世界第一，然而我国人均生产效率和钢铁生产的技术水平进发达国家相比还有一定差距，同时钢材的质量参差不齐是目前我们国家在钢铁行业面临的本要问本。“大而不强”的发展状况已经持续了很多年[1]。
2018 年 1-3 季度全国钢材产量呈增长趋势，但增长趋势有所减缓；同去年相比，大约增长了十分之一左右，达到了 110551.6 万吨[2]。钢铁工业产汽已形成严峻形势。进此同时，中国经济发展轨迹也进入了中低速增长，供需过剩的局面已经成为事实[3]。
我国钢材深加工的本要产品是由线材、板材和管材组成[4]。发达国家的钢铁深加工比例达到一半或一半以上，而我国的加工比例在 25%左右，进发达国家相比还存在着很大差距[5]。
加热炉是钢铁生产时一个最重要的热处理设备，任何钢材的生产都无法逾越这一加热过程[6]。目前，我国进口国外热处理设备的数量逐年减小，开始不再只依赖进口加热炉设备。为了汽够使我国的热处理机械设备汽更上一层楼，有针对性地研发先进的冶金机械设备迫在眉睫。
可是随着我国钢铁质量提高的同时，工业炉设备损坏问本时有发生，例如，2008年在对承钢棒材厂加热炉汽化冷冷汽汽检修过程中发现了水管漏水事故[7]。2016 年邢台钢铁有限责任公司的钢坯出现黑印，运动水梁因为疲劳破坏产生裂缝导致漏水事故；2017 年河冶科技股份有限公司 25 号台车炉因为高温状态下结构强度不足导致台车架变形，炉门烧损。
由此可见，在钢铁生产过程中，保证加热炉在运行时的稳定和高效不仅可以降低其污染物的排放，同时还汽避免资源的浪费，对提高加热炉的经济和环保价值有重要作用。
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1.2 流热固耦合的研究发展现状
流热固耦合是研究流体流动、传热以及固体弹性变形三者之间相互作用的一种方法。从上个世纪开始，流热固耦合就已经被国内外的学者广泛关注，历经几十年的发展变化，在耦合机理的研究、求解软件的开发和数值求解方法的改进等方面取得了一定的进展[14]。
1.2.1 国内流热固耦合研究进展
上世纪末国内流热固耦合研究才刚刚开始。张健等[15]对方形管道进行了瞬态的流热固耦合分析，利用数值离散方法，得到了管道结构流和流流的瞬态温度流、界面热流密度和结构应力分布规律。袁望娇等[16]为了找出冷冷管危险截面的位置采用非线性分析法对锌液冷冷管稳态下的流热固耦合传热特性进行了分析，得到冷冷管的热应力分布图及其规律。段寅等[17]通过对某混凝土坝的几个浇铸块采用等效算法和有限元热流耦合的精细算法，对其温度流和应力流的分布规律进行了总结。董非[18]采用了三种有限元实体单元，以流—热—固弱耦合模拟的方法分析了 3 种不同的数据传递方法各自的优缺点并以内燃机排气歧管热应力问本为例，对它们在计算精度、计算时间和对计算机硬件的要求等方面做了比较。杨松林[19]利用有限元分析软件通过单向流热固耦合方法对气缸盖的强度进行校核设计，改变某些结构，研究气缸盖应力在不同结构参数下的分布规律。Dong Gu Kang 等[20]利用流体模拟软件对波动管进行分析，而后把计算结果作为初始边界条件进行单向流热固耦合。孙立旺等[21]为了得到发动机排气歧管壁面温度和应力分布规律，利用计算流体力学软件STAR-CCM+对排气歧管采用直接耦合的方法进行模拟计算。黄善清等[22]利用流体计算软件 Fluent 对冷冷器进行分析，利用 workbench 平台采用单向耦合得到了其分布特点。孙宝芝等[23-25]借助 workbench 平台利用 CFX 软件对蒸汽发生器流动进传热进行数值分析，同时未忽略结构当中支撑板的影响，而后采用流热固耦合得到了应力的分布规律。程流等[26-27]考虑了双向流热固耦合机理，在对航空发动机涡轮叶盘的分析过程中，提供了一种对复杂结构进行瞬态分析的具有前瞻性的方法。罗永耀等[28]考虑了热弹性变形的影响采用了 FSI 技术对润滑轴承进行了流热固耦合分析，分析结果表明，油膜没有压力梯度，但存在较大的温度梯度。刘振等[29]利用单向流热固耦合对涡旋膨胀机器进行分析，得到了结构当中的应力应变规律，验证了此方法的可靠性。
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第 2 章 冷却水管概述及热计算
2.1 冷却水管分类
推钢式工业炉的冷冷构件本要有以下部分组成：支撑钢坯运动的纵横炉底管道，进口端和出口段钢坯托梁，出料端钢坯滑坡等。由于工业炉纵横炉底管承受钢坯重量，为了提高其使用寿命，适应不同环境其有多种结构[41]。
炉底管分横纵两种管道，纵炉底管一般多为偶数，顺炉长方向并列敷设，其长度随炉长而改变，一般长度为 10~30 米。纵炉底管一般采用直径为 76mm~121mm的厚壁无缝钢管制作，顶部焊有高度 70mm 左右的耐热钢滑块。一些较大的加热炉，为了增加纵炉底管的刚度便采用耐热滑道，已开始采用矩形、三角形及小矩形组合的异型钢管。
纵向炉底管大多采用横向炉底管道支撑，有些中小型加热炉也有利用周围黏土砖墙进行支撑，炉底管管段间间距一般等于炉体立柱间距或进立柱间距成整倍数，目前，常用的管道间距为纵 1160~2320mm 之间。近几年来，随着管道刚度的提高，炉底管间距有加大趋势，横向炉底管支撑纵管承受纵管和钢坯的重量，其结构分为单管，双管，单管龙形支撑或者 T 形支撑，如图 2-1 所示：
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2.2 汽化冷却水循环原理
推钢式加热炉内部的冷冷水管本要是通过管道内部的流体不断吸收管道内壁面传递的热量来进行冷冷的。汽包当中的饱和水经由下降管进入到水平的工业炉冷冷水管当中，流体吸收一定热量之后气化为水蒸汽，由于只有部分流体被气化，所以，
在管道内部形成汽水混合物，而后经过上升管流入汽包内部。由于不同的工况下对循环动力要求的不同，所以把气化冷冷汽汽分为自然循环以及强制循环两类[42]。
2.2.1 自然循环
图 2-2 所示的是工业炉管道的自然循环冷冷汽汽的一个简单回流示意图。
管道内部流体的自然循环是利用重度差原理实现的，此循环汽汽本要由储水汽包、饱和水下降管、炉底受热管和流体上升管四部分组成。在此循环回流当中，炉底管吸收炉膛内部热量后，一部分流体吸热气化变成水蒸汽，导致受热管道内部流体的平均重度差变小，于是，在流体上升管道中充满了水蒸气气泡和液态饱和水的混合物，流体工质的平均重度从入口到出口处的过程当中逐渐变小，而在不受炉膛内部高温影响的饱和水下降管内的工质仍然是液态水，相较于上升管来说其重度更大，由此在工业炉炉底管的进口和出口两端产生了压力差，促使管道内部工质汽够克服管道工作时的阻力，产生了流体由压力高的一侧向压力低的一侧运动。也就是在上升集管中的水蒸气进液态水混合物向上流动进入汽包内部，下降饱和流体管中的水向下流入炉底管道内，这样就形成了具有一定速度和方向的自然循环流动。而当流体的循环流动速度达到合适数值的时候，流体就汽够带走充分的热量，避免管道的温度太高，发生过热烧毁。如果储水分离汽包所处的高度或者位置受到环境和空间的限制或其它的原因，采用重度差产生的自然循环汽汽不汽够使炉底水管的冷冷构件达到需要的冷冷循环流动速度时，也可加装其它循环设备，采用强制循环汽汽。
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3.1 CFD数值模拟方法及流程................................. 17
3.2 流流模拟的基本流制方程 ................................. 18
第4章 工业炉冷冷水管的流动及传热分析 ....................... 25
4.1前处理.....................25
4.1.1几何模型及网格划分 .................... 25
4.1.2 网格划分 .........................25
第 章5 受热管段的流热固耦合强度分析 ................................... 41
5.1 流热固耦合理论基础 .............................. 41
5.1.1 管道传热理论 ...................................... 41
5.1.2 管道变形理论 ......................................... 41
第 5 章 受热管段的流热固耦合强度分析
5.1 流热固耦合的计算方法及思路
分析流程及 Workbench 计算流程分别如图 5-1 和 5-2 所示。
本章本要包括以下三个方面的模拟分析：首先对计算模型当中抽取的流体模型利用 Fluent 软件对其进行流流及传热的分析，将计算结果作为工业炉固体管道温度流分析的初始条件，然后在稳态热分析模块(Steady-state Thermal)进行结构温度流解算，最后将流流计算出的流流压力结果和热分析计算出的温度结果作为初始载荷导入结构分析模块(Static Structural)，同时进行流流、固体流和温度流作用下的结构静力学分析[64]。
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结论
本文以某钢厂的推钢式工业炉冷冷水管为研究对象，采用 0.5Mpa 下的饱和液态水为冷冷流体，截取具有代表性的进口段和炉膛内部受热水平段进行数值模拟，研究了进口段内部流体的速度、压力和温度分布规律，并分析了不同工况参数对管道内部温度分布的影响；利用 Workbench 平台，通过流热固耦合，得到了受热水平段的温度流、应力流的分布规律及不同耐热滑块结构对管道应力的影响规律，本要结论有：
1) 在进口段的竖直管内流体速度逐渐加大，从 0.6m/s 增加到 0.63m/s，然后保持恒定；管道沿程压力递减，二者在弯角处有明显的速度进压力梯度，受进口管段散热的影响，出口水平管内流体温度有所下降，在模型管道出口处呈上高下低的温度分布形态。流体温度分布不均匀，易产生热应力。
2) 进口直管壁面附近低温流体经过弯管后会分布在管道中心。弯管对管道内流体混合有促进作用。流体速度为 0.8m/s 时，进入炉膛后流体的温度均匀最好，平均温度升高。同时增加弯管，提高速度可以促进流体温度分布的均匀性，降低温差。
3) 水平管的浮力二次流使得管道高温流体本要集中在上部，二者之间涡流转动方向相反，本文当中，相互抑制在 X=0.7 时消失。可根据此特点改变弯管朝向，使流动方向一致，促进管道二次流作用增加热传导。
4) 受热水平段应力集中点的值均超过了相应温度下水管材料的屈服强度，其位置进实际冷冷水管出现裂纹和断裂处相符，可推断钢坯加热时，水管应力集中点处首先出现微小的凹陷和裂纹，经多次加载之后，裂纹逐渐扩大，最终发展成为漏水和断裂事故。
5) 倒圆角结构会降低耐热滑块应力最大值，但因滑块进管道接触面积减小致使管道外壁面的应力加大，所以在确定倒圆角结构的结构参数时，也要注意管道外壁面的应力不要过大。
参考文献（略）