程舟济 张斐然 雷威

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.006

摘  要：对非晶薄带制取过程中的冷却铜辊进行了研究，根据冷却铜辊内的实际参数，建立换热过程计算模型。采用流-固耦合传热方法对该过程进行数值模拟分析，得到冷却水体的流场、压力场以及温度场分布，并探讨三者之间的相互关系。通过改变铜辊水环厚度，分析冷却水体压力场与温度场分布，得到了不同水环厚度对铜辊冷却效果的影响。

关键词：冷却铜辊;流场;压力场;温度场;数值模拟

中图分类号：TG139;TP391.9               文献标识码：A 文章编号：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

非晶態合金是由超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到短程有序、长程无序的组织结构，同时不具备传统金属材料固定的晶粒和晶界^[1]。非晶薄带的制取采用快速凝固工艺与技术，平面流铸（PFC）是常用的快速凝固的方法之一^[2]，具有设备简单、操作方便、材料致密和成本低廉等特点^[3]。

冷却铜辊是非晶制带设备中的核心部件，其对熔潭的冷却效果直接影响非晶晶粒结构及电磁性能的变化^[4，5]。冷却铜辊通过内部循环的冷却水将热量交换并带走，冷却铜辊内部流道的形式和结构是直接影响薄带质量的关键因素。国内外学者针对非晶薄带制取过程中的铜辊进行了研究，LI Yong等^[6]针对铜辊的结构，建立了铜辊的冷却过程的传热模型;张伟堂^[7]计算了超导热急冷设备和铜急冷设备下非晶合金快速凝固冷却速率，得到在铜辊表面涂镍和不锈钢对合金快速凝固的影响;李福森^[8]等利用Fluent软件对双向回流式螺旋流道的流延辊的换热过程进行了数值模拟，得到了流延辊内部流道结构、水流量对换热强度的影响。

本文基于铜辊的冷却水流道，建立内流道计算模型并进行数值模拟，得到了冷却水体的流场、压力场以及温度场分布。

1  冷却流道建模

1.1  冷却水流道结构设计

非晶薄带制取时，熔融态的合金液从坩埚底部的狭缝喷嘴中流出，在喷嘴和铜辊表面狭窄的缝隙之间迅速形成熔潭，当熔体接触到冷却铜辊表面时发生热量交换迅速凝固，高速旋转的铜辊将凝固成型的薄带从熔潭中迅速甩出。

冷却铜辊及内流道结构主要包括密封法兰、支撑内芯、换热铜辊以及主轴等组成，如图1所示，在铜辊的正上方表面接触到熔潭，为热量交换区域。冷却水从主轴的进水口流入，并经主轴上小孔进入冷却铜辊左侧内流道，沿内芯径向扩散至热交换区域。融化的合金液喷射到冷却铜辊上方，形成熔潭，热量通过热传导方式进入铜辊，并与内芯冷却水发生热交换，经过热量交换的冷却水经过铜辊右侧内流道以及主轴小孔汇集到主轴的右侧出水口流出。

1.2  冷却水流道模型建立

为了提高计算速度、简化计算模型，对该数值模拟过程进行适当简化：

（1）冷却水对换热铜辊的冷却过程主要集中在熔潭与铜辊表面的换热区域，而薄带在被拉出熔潭后温度快速下降，因此忽略薄带与铜辊表面的热量交换。

（2）熔潭的尺寸相对于冷却铜辊很小，在计算过程中简化熔潭为长142.00 mm、宽1.15 mm、高0.40 mm的长方体块，整体为合金液的温度。

（3）根据格努塞尔数计算得到冷却水与密封法兰、支撑内芯的换热系数，在计算模型中省略密封法兰和支撑内芯。

（4）在其他较小的换热区域内，忽略热量传递，均看作为绝热壁面。

（5）忽略该过程热辐射对于换热效果造成的影响。

基于以上简化，得到冷却流道的换热计算模型如图2所示，由熔潭、换热铜辊以及流道冷却水3个部分组成。

铜辊流道的设计参数如表1所示。

1.3  边界条件及初始条件

1.3.1  边界条件设置

针对建立的换热模型，对边界条件进行设置。

其中各个参数的初始设置如表2所示。

1.3.2  初始条件设置

主轴高速旋转，设定水体计算域和换热铜辊计算域的旋转速度与主轴的旋转速度保持一致，即绕Z轴的圆周运动转速为300 rev/min;设置环境压强为标准大气压，初始温度为298 K;设置整个计算域的初始温度为298 K;设置初始湍流强度为中等强度，有助于计算结果快速收敛。

2  结果分析

2.1  流场分析

根据以上设置的条件对冷却流道换热模型进行数值模拟计算，得到换热铜辊冷却水体的流线图如图3所示。从图中可以看出，主轴高速旋转，带动水体速度产生较高的旋转分量;冷却水由入口水环进入入水流道时，由于内壁的阻挡，流体切向速度逐渐减小为零，法向速度逐渐增大;冷却水流出入水流道进入水环速度突增并产生分流，一部分迅速流入出水流道，另一部分碰撞到密封法兰，速度反向，叠加流体域旋转产生的切向速度，冷却水在水环产生涡旋;进入出水流道的冷却水速度先减小后增大，流入出口水环。

根据流场得到速度矢量图如图4所示，从图中可以看出，速度达到最高值出现在入水流道右壁面位置、水环与入水流道交界处、出水流道右壁面位置，速度的峰值约为8.8 m/s。水道壁面随主轴旋转产生角速度，冷却水受旋转影响，不断接触到水道右壁面，根据壁面无滑移条件，壁面会对冷却水提供法向力，从而使冷却水流动加快;由于水环厚度小于流道深度，根据流体连续性方程，流体进入水环速度会增加，并且速度方向呈现与旋转方向相反的辐射状分布，如图4（a）中放大图。

图4（b）为水环中的速度矢量分布，根据矢量箭头的疏密反应流量的大小，长短则代表流速的大小，可以看出在相邻的流道之间，流量变小并且根据箭头方向得到在水环中形成了周期性的回流。

2.2  压力场分析

如图5所示为数值模拟得到的流体域压力场分布，可看出由于离心力的作用，压力随距主轴轴线的距离变大而增大，并在水环处达到最大。在内流道与水环的接触位置，压力会出现一定的回落，是因为速度在该处方向发生了变化，压力出现一定的损失，从而导致压力降的产生。同时在水环内环，相邻流道中间由于出现周期性的回流出现压力升。

根据压力场分布可以计算得到流道出口与入口的压降为ΔP=7.1×10⁴Pa，压降在一定程度上反映了流体在流动时能量的损失，因此在生产中，应适当减小出水口相对入水口的压力降。

2.3  温度场分析

如图6所示得到铜辊最高温度出现在与熔潭接触的位置，即热量集中交换区域，该处最高温度为747.5 K。换热铜辊的温度场近似一组同心圆，分别代表不同的等温线;由于内流道出口流体方向的改变，会在一定程度上造成压力损失，在铜辊内壁与水环接触位置，温度场出现周期性的温度峰值，根据图6（a）在水环上出现周期性回流区域，不利于热量的传递，熱量的积聚提高了温度。根据图6（b），铜辊截面的温度分布，等温线梯度出现沿换热铜辊旋转方向分量，通过计算得到铜辊内表面平均温度为337.3 K。

冷却水的温度分布如图7，换热主要集中在水环外表面，等温线呈层状分布，构成一组近似的同心圆。冷却水形成的回流区域，不利于温度的耗散从而形成环状高温区。在该条件下，测得水环外部最高温度为354.5 K，平均温度值为330.3 K，出口的平均温度值为304.5 K。同时根据水道截面图可以得到与铜辊内侧发生换热集中在水环的外表面，而在水环内侧，水温升高幅度很小。

根据对冷却铜辊内流道数值模拟得到，内流道的设计采用辐射直流道，方便加工、降低成本的同时，可以有效实现对熔潭的换热，以实现非晶薄带的连续生产。

3  结  论

依据设备参数简化设计出铜辊冷却流道结构，建立物理模型、划分网格并进行数值模拟，得到生产参数下冷却水的流场、压力场以及温度场;并分析在不同流量下水环厚度的温度场以及压力场变化情况，得到了冷却铜辊传热过程及温度分布规律，得出了以下结论：

（1）冷却水由入水流道流出，速度方向发生改变并受主轴旋转作用，会在水环处形成周期性回流。

（2）受在水环中形成的回流影响，不利于热量的传递，会形成周期性温度集中均布在水环上。

参考文献：

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[3] 宋言明，杨洋.非晶态薄带冷却铜辊用内反馈静压轴承数值模拟 [J].航空学报，2014，35（4）：1157-1164.

[4] 李宇明，余红雅，刘仲武，等.冷却速度对快淬Fe-Si-B-Cu合金结构和磁性能的影响 [J].热加工工艺，2010，39（6）：135-138.

[5] KANE S N，SARABHAI S，GUPTA A，et al. Effect of quenching rate on crystallization in Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 alloy [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2000，215：372-374.

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[7] 张伟堂，白敏丽，杨洪武.单辊法制备非晶合金中冷却速率的数值计算 [J].金属功能材料，2002（1）：12-18.

[8] 李福森，王栓虎，李欣兴，等.塑料薄膜与流延辊换热过程的模拟分析 [J].机电工程，2010，27（8）：56-59.

作者简介：程舟济（1989—），男，汉族，湖北黄冈人，工程师，硕士，研究方向：船舶系统。

收稿日期：2021-04-06