铝合金铸轧铸咀中高温熔体三维流场与温度场的数值仿真研究

摘要

双辊连续铸轧不同其它连续铸造工艺在于它是集凝固、变形于一体的综合技术.而铸咀结构和装配是双辊连续铸轧最关键的技术之一,是直接分布金属液到铸轧辊辊缝的部件,因而铸咀型腔内流场与温度场的分布状态直接影响到板形,特别是铸咀型腔高温浅薄铝熔体出口速度、出口温度分布的均匀性决定了铸轧过程能否顺利进行以及能否获得高质量的铸坯.因此,研究大宽厚比、变截面型腔中复杂的高温浅薄铝熔体三维流场与温度场分布规律,分析不同参数对高温浅薄铝熔体出口速度、出口温度分布影响具有重要的现实意义.本文根据铸咀型腔结构独特的特征、熔体的特殊特性与环境的复杂性,首次利用大型有限元分析软件ANSYS对高温浅薄铝熔体进行了三维建模和耦合求解分析,具有方便、可视化性,主要研究如下:1.建立铸咀中高温铝熔体三维流场与温度场数学模型.2.基于ANSYS选择了适当的三维单元及自由度求解器,解决了求解过程中边界条件的处理与加载的问题.3.对变物性主要是变密度高温铝熔体三维流场与温度场进行了数值仿真且分析了几种参数(铸轧速度、分流块数目、铸咀型腔出口高度尺寸、型腔总长度)因素的影响,并比较了变密度与常密度熔体数值仿真结果,揭示了高温浅薄铝熔体流场与温度场分布规律,得出了数值仿真应采用三维模型,二维模型不合理,不符合实际;熔体流向速度与出口温度随铸轧速度的增加而增加,改变入口速度分布可改善型腔熔体出口温度与速度的均匀性;改变分流块数目可以改善出口速度分布与温度分布均匀性;适当减小型腔开口度能获得更均匀的出口速度分布及温度分布;增加型腔长度能获得更均匀的熔体出口速度分布及更均匀的温度分布;在工程实际应用中视变密度为常密度的合理性.数值仿真结果与分析结论为连续铸轧特别是快速铸轧最佳匹配参数提供了重要依据.4.本文结合了水模实验结果,进行了铸咀表面温度实测实验,并采集了相关数据.水模实验结果表明数值仿真结论和实验测试数据结论相符合,温度测试实验为仿真的温度边界条件确立了基础依据,从而验证了相关结论的正确性.

目录

文摘

英文文摘

第一章综述

§1.1引言

§1.2铝板带箔材加工业发展与现状

§1.3双辊铸轧技术的国内外发展与研究现状

§1.4双辊铸轧铸咀国内外发展与研究现状

§1.5本论文课题来源、研究目的及意义

§1.6本论文的主要研究内容

第二章浅薄铝熔体三维流场与温度场的数学模型

§2.1浅薄铝熔体流态分析

§2.1.1浅薄铝熔体流态判定的基本理论

§2.1.2浅薄铝熔体流态的判定

§2.2浅薄铝熔体三维流场与温度场基本微分方程组

§2.2.1变物性浅薄铝熔体三维流场与温度场基本微分方程

§2.2.2定常浅薄铝熔体三维流场与温度场基本微分方程

§2.3浅薄铝熔体三维流场与温度场边界条件的确定

§2.3.1浅薄铝熔体三维流场的定解条件确定

§2.3.2浅薄铝熔体三维温度场的定解条件的确定

§2.4本章小结

第三章基于ANSYS的熔体三维流场与温度场数值仿真

§3.1高温熔体FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述

§3.1.1 FLOTRAN CFD分析的单元

§3.1.2高温熔体FLOTRAN分析的主要步骤及分析的评价

§3.1.3高温熔体FLOTRAN热分析

§3.1.4高温熔体FLOTRAN CFD求解器和矩阵方程

§3.2高温熔体数值仿真的边界处理与加载的研究

§3.2.1铸咀高温铝熔体对流传热的特点

§3.2.2浅薄铝熔体温度场边界处理与加载

§3.3本章小结

第四章浅薄铝熔体三维流场与温度场的数值仿真研究

§4.1主要物性参数及仿真结果

§4.1.1基本理论与主要物性参数

§4.1.2变物性浅薄铝熔体仿真的基本结果

§4.2不同参数下变物性浅薄铝熔体三维流场与温度场的分析

§4.2.1流量变化对熔体流场与温度场出口处速度与温度的影响

§4.2.2分流块数目对熔体流场与温度场出口处速度与温度的影响

§4.2.3型腔开口度对熔体流场与温度场出口处速度与温度的影响

§4.2.3型腔总长度对熔体流场与温度场出口处速度与温度的影响

§4.3定常浅薄铝熔体三维流场与温度场的分析

§4.3.1定常浅薄铝熔体数值分析的ANSYS软件实现

§4.3.2定常浅薄铝熔体仿真结果及分析

§4.4本章小结

第五章实 验

§5.1实验原理与实验目的

§5.2水模实验

§5.2.1实验相似准则与模型及测试方法

§5.2.2实验结果及分析

§5.3温度测试实验

§5.3.1测试研究方案

§5.3.2测试结果及分析

§5.4本章小结

第六章全文总结

参考文献

致谢