摘要
铁基非晶薄带具有高磁导率、低铁损等优异的物理性能，被广泛应用在航空航天、电子和医疗等领域。平面流铸是工业化制备非晶薄带的主要方法，冷却辊作为平面流铸的主要设备，其换热特性直接决定了所制备薄带的质量。近年来，随着薄带宽度不断增大，对冷却辊的换热特性也提出更高的要求。然而，现有冷却辊直流道结构内部存在明显的涡旋与冲击，能量利用率较低，极大影响了其换热效率，从而制约了宽型非晶薄带的制备。因此，有必要从结构角度出发，对冷却辊内部流道展开设计与优化。 论文选题源自国家自然科学基金：多维非均匀热流下平面流铸冷却辊热变形机理与强化换热研究（No.51905370）。首先，论文采用数值仿真方法分析了现有流道的流动特性；然后，基于叶片泵与透平相关理论，提出了一种新型进、出水面差异化流道设计方法；最后，为进一步获得最优流道结构，解决数值仿真效率低下问题，本文采用智能算法对流道结构进行了优化。具体研究内容与主要结论如下： 为获得现有直流道冷却辊内部流场分布，为后续流道优化提供依据，采用数值仿真方法对其流动特性进行分析。针对流道各组成部分结构特点，采用Blade Gen软件对径向流道进行了建模，结合Turbo Grid软件实现了流道的非结构网格划分。对于结构较为简单的换热通道，则采用 Geometry与 Mesh软件来实现建模与结构化网格的划分。通过 CFX 软件对冷却辊内部的流场分布情况进行了数值模拟，结果表明，现有直流道内部存在一定的涡旋与冲击，严重影响了其换热效率。进一步发现随着进口压力的增大，流道内涡旋逐渐减弱，但其入口冲击增强，水流更新速率增幅有限；而当进口压力不变，冷却辊旋转速度改变时，随着转速不断增大，流道内部涡旋愈发严重。 为满足进、出水面不同的流动特性对流道结构的设计需求，分别结合叶片泵与透平理论对其径向流道开展设计。对于进水面流道，结合速度三角形理论、流道内流体微团力学分析，以及能量方程与儒可夫斯基变换，提出了一种肋道旋向与冷却辊转向相反的流道结构设计方法；对于出水面流道，则采用透平相关理论，展开其流道结构的设计研究。结果表明：所设计的流道内部流场分布均匀，流道入口冲击减弱，涡旋明显减小。与现有直流道相比，新型流道内流量提升18.09%，换热特性得到改善。 为进一步获得最优的流道结构，基于贝塞尔曲线对所提出的流道进行了参数化建模；针对结构参数多，求解效率低的问题，采用 Plackett Burman 试验筛选出了对目标函数影响显著的自变量参数；进一步，采用拉丁超立方抽样技术与 CFD 数值模拟得到了自变量与目标函数的数据库；针对多目标优化问题，则采用熵权层次分析法对目标函数的权值进行了求解，并结合BP神经网络与遗传算法对流道结构进行了优化。优化流道的流量相比于传统直流道提升 26.66%，相较于设计流道提升 7.25%，冷却辊换热效率得到进一步提升。 最后，搭建了冷却辊流量测试平台，对论文所采用的流道结构设计与优化方法的可靠性进行验证。结果表明实验结果与仿真结果趋势吻合效果较好，优化流道内流量明显提升，且流量随着冷却辊流道进口压力增大而增大。同时，在不同进口压力条件下，优化流道冷却辊水流更新速率均高于直流道，达到了提高冷却辊换热能力的目的。 论文所提出的研究方法与成果将为应用于平面流铸工艺的冷却辊流道设计与优化提供理论依据，同时也对其它领域旋转结晶辊与轧辊的流道设计与优化提供借鉴。
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