JP5696655B2 - 被冷却体の温度予測方法および金属板の製造方法 - Google Patents
被冷却体の温度予測方法および金属板の製造方法 Download PDFInfo
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被冷却体の温度予測(温度分布予測)における数値解析では、支配方程式として少なくとも質量保存方程式および運動量保存方程式を含み、それらを離散化し、少なくとも質量場、圧力場、速度場を数値的に求める流動数値解析、またはこれらに加え、支配方程式としてエネルギー保存方程式をさらに含み、それらを離散化し、温度場を数値的に求める熱流動数値解析が行われる。
膜沸騰時は、被冷却体と冷却媒体との間に摩擦が小さいと考えれば、熱流動数値解析で一般的に用いられる滑り壁境界条件、または蒸気の膜が持つ粘性によるせん断応力を壁面境界条件として与えればよい。
遷移沸騰時は、核沸騰に近いか膜沸騰に近いかを判別し、これらの中間の値を与えればよい。
以上の計算を時間進展させつつ繰り返すことで、冷却装置中の冷却水の流動状態や温度分布を、現実的な解析負荷範囲で精度および効率良く推定することができ、さらに被冷却体の温度(ひいては温度分布)を精度および効率良く推測することが可能となる。
図3に、実際の試験に用いた装置の例を示す。本装置は、柱状噴流を被冷却体へ供給可能な多数のノズルを有する冷却ヘッダを具備し、該冷却ヘッダよりも幅が広く側方の一面が開いた水槽に冷却水が噴射できるようになっている。噴射された冷却水は滞留水となって水槽内に溜まり、水槽側方の開いた一面より流出する。その流出流量分布を測定した。一方、この装置を想定した解析領域について、流動数値解析を行った。
図4(a)及び図4(b)に示したように、異なる流量に対しても試験結果と解析結果とがよく一致している。この結果から、本発明における数値解析は滞留水の流動を妥当に表現可能であることが分かる。
まず熱流動数値解析において、冷却水の質量、運動量、エネルギーを系内に導入するには、境界条件として導入するか、ソース項として導入する必要がある。
また本発明で扱うような金属板の製造プロセス(例えば、鉄鋼製造プロセス)で用いられる冷却装置は、長さが数十mにもおよぶものが多く、ノズルを一本ずつ解像できるような細かい解析格子を用いたのでは、冷却装置全体の流動状態や温度分布を、現実的な計算負荷で解析することは困難である。そこで個々のノズルからの流動を平均化する必要がある。
ここで、ノズルから供給されるラミナー流、噴流、スプレー流を平均化して与える場合、実際の冷却装置におけるノズル先端位置から境界条件として導入すると、その挙動を捉えることができず、妥当な結果が得られない。したがって、本発明では、これらをソース項として導入する必要がある。
2…滞留水
3…冷却水(冷却媒体、柱状噴流)
10…解析領域
Claims (4)
- 被冷却体と間隔を開けて配置された複数のノズルから冷却媒体を供給することにより前記被冷却体を冷却する冷却装置で、少なくとも1の前記ノズルから供給される前記冷却媒体が前記被冷却体に当たる領域を単位解析領域とし、該単位解析領域を平均化した数値解析を行って前記被冷却体の温度を予測する際に、
前記冷却媒体が、前記ノズルの先端よりも前記被冷却体側、且つ、前記被冷却体の表面よりも前記ノズル側から供給されていると仮定し、
前記冷却媒体の少なくとも質量および運動量をソース項として取り扱い、前記質量のソース項を質量保存方程式へ、前記運動量のソース項を運動量保存方程式へと加えて、少なくとも質量場、速度場、および、圧力場を計算する数値解析を行って、前記被冷却材の温度を予測することを特徴とする、被冷却体の温度予測方法。
- さらに、前記冷却媒体のエネルギーをソース項として取り扱い、前記エネルギーのソース項をエネルギー保存方程式へと加えて、少なくとも質量場、速度場、圧力場、および、温度場を計算する数値解析を行って、前記被冷却体の温度を予測することを特徴とする、請求項1に記載の被冷却体の温度予測方法。
- 前記被冷却体および前記冷却媒体の間の熱流束と、前記被冷却体の表面温度と、前記被冷却体表面近傍の冷却媒体温度と、前記被冷却体の表面性状との関係式を予め導出し、
前記単位解析領域について、前記関係式を用いて熱流束を算出し伝熱解析を行うことで、各単位解析領域の前記被冷却体の温度を予測することを特徴とする、請求項1又は2に記載の被冷却体の温度予測方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の被冷却体の温度予測方法を用いて、冷却装置により冷却される被冷却体の温度分布を予測する温度分布予測工程と、
予測された前記被冷却体の温度分布を用いて、前記冷却装置の動作を制御する冷却制御工程と、
を有することを特徴とする、金属板の製造方法。
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