高效连铸气雾冷却过程的动态传热机理研究

Air-mist jet cooling has been widely used in secondary cooling of continuous casting process due to the more uniform heat release rate and a larger range of the cooling intensity in recent years, but the heat transfer mechanism is not clear yet. On the basis of previous studies, a dynamic heat transfer experimental platform for air-mist cooling process will be established, in which a rotating cylinder heated continuously is designed as the hot slab with period boundary condition.The mathematical model based on inverse heat conduction problems is used to predict the surface heat flux and analyze the local boiling curve of heat trasfer process.The effect of the air-mist jet characteristic parameters and thermal parameters on boiling heat transfer will be taken into acount.Boiling phenomena will be observed and analyzed from morphology with Particle Image Velocimetry, Laser Doppler Velocimetry and high-speed video cameras. And heat transfer mechanism for air-mist cooling process will be analysed based on both the local boiling curve and boiling morphology, which is important for the technology application and promotion of air-mist cooling.

气雾射流冷却由于具有更加均匀的释热率和更大的冷却强度可调范围，近年来被广泛应用于现代连铸的二次冷却过程中，但其传热机理还没有像传统的水射流冷却那样为人们清楚认识。本项目在前人对连铸射流冷却研究基础上，针对现代连铸气雾射流冷却过程，建立高效连铸气雾射流动态传热实验平台，以持续加热的旋转空心柱体模拟周期性换热条件下的热铸坯，建立二次冷却过程的传热反问题数学模型，研究模拟铸坯表面热流的变化规律，并建立传热过程的局部沸腾曲线，分析气雾射流特征参数和热模拟参数对沸腾传热的影响规律；同时采用PIV、LDV、高速摄像机等现代流动显示设备对气雾射流特征与沸腾现象的形态变化进行深入分析，研究过程参数对沸腾现象形态的影响规律。从沸腾传热与形态观察两个方面对气雾冷却传热过程进行系统研究，旨在摸清高效连铸气雾冷却的传热机理，对气雾冷却技术在现代连铸及其它领域的应用与推广具有重要的科学意义。

针对高效连铸二冷区气雾射流冷却规律和传热机理的认识问题，自主设计并搭建高效连铸气雾射流传热实验研究平台，该平台可实现静止高温表面和周期性换热条件下的过程仿真，以便开展不同沸腾状态下气雾射流传热特性研究。研究气雾射流喷嘴的雾化特性和雾滴动力特性，并对静止平板和具有周期性换热特征的旋转柱体表面进行了沸腾传热的基本规律。进一步开展了热金属表面上雾滴的行为及其与液膜、气膜的相互作用机制，探讨传热机理。主要研究成果有：.（1）研究了气雾射流的雾滴特征，获得了气雾喷嘴雾化效果的准则方程，发现沿射流方向存在雾滴加速、匀速和减速区，其对应的主流速度区宽度逐渐增加，射流速度从射流中心向边缘缓慢递减，为连铸二冷雾化喷嘴的设计和使用提供理论支持。.（2）采用泛函理论，引入敏感性系数，建立了传热反问题数学模型，并与非稳态热传导数学模型相结合，依据热介质内温度测量，精确计算热介质表面温度、表面热流和换热系数。.（3）建立了气雾射流作用下的高温表面沸腾传热特性曲线，探索连铸二冷区温度范围内的传热规律，发现静止平板传热为平稳的膜态沸腾，静止柱体传热为过渡沸腾，而旋转柱体传热为过渡沸腾和核态沸腾的混合；气雾射流作用下旋转柱体传热过程中，形成了富有规律性的气雾射流冷却和强制对流冷却循环交替的周期性换热特征，没有出现空冷辐射区的特征；获取了连铸二冷区铸坯温度范围内气雾射流作用下静止平板和旋转柱体周期性换热的准则方程。.（4）研究了雾滴撞击到热金属表面上时的行为和沸腾传热特征，发现随着热金属表面温度的升高，雾滴从惯性力主导下的铺展，发展到惯性力和汽化冲力双重作用下的变形，最后是热膨胀力主导下的破碎反弹。.根据本项目的研究结果，课题组为中国重型机械研究院建立了一套全尺度的连铸二冷热过程模拟实验平台，应用于高效连铸机设计研究，使用效果良好。本项目具有广阔的应用前景。