矫直辊的工作环境十分恶劣,承受包括强矫直力、高温钢板的热辐射、热传导和热对流等热冲击、内冷水和外冷水的降温等多种载荷的联合作用。工作时产生的交变热应力往往会引起矫直辊的破坏和失效,加之矫直辊本身的结构和运动非常复杂,造成此问题的研究十分困难。为了准确的模拟真实的工作状态、获得较为准确的计算结果以及满足系统优化设计的需要,本文考虑矫直辊的多物理场耦合效应,以四重十一辊矫直机为研究对象,分析在流固热载荷耦合作用下矫直辊的温度场和内部流场,以利于矫直辊的寿命估计和系统优化。研究的主要内容和创新点如下:(1)考虑矫直机实际复杂的结构形式和恶劣的工作状态,建立了矫直辊系的流-固-热耦合力学模型。在力学模型中,同时考虑了高温钢板和矫直辊的热辐射、热对流及热传导、矫直辊旋转运动和内冷水的运动以及内、外冷却系统的降温作用。根据矫直辊复杂的真实结构(含有通水盲孔、旋转接头等),建立了矫直辊的实体模型。(2)根据实际工况,对力学模型设置合理的温度场和流场边界条件。考虑矫直辊绕轴线的旋转运动引起的矫直辊、空气和内冷水的温度场和流场随时间变化,采用动网格技术模拟矫直辊的旋转运动,并使用Visual C++编制UDF函数。此外,为了保证一定的计算效率和精度,采用非一致网格生成技术对矫直辊的局部进行加密。(3)采用计算流体力学软件Fluent,计算了对矫直辊内冷水复杂流场,并讨论了不同通水速度对流场的影响。定量计算了通水速度对内冷水对矫直辊的冷却效果及矫直辊内表面压力的影响。结果发现矫直辊的旋转运动造成内冷水的运动轨迹呈螺旋上升的形式,内冷水产生切向的速度。合理设计矫直辊的内流场结构,对于其内部降温具有重要的意义。(4)计算了矫直机矫直辊系的稳态温度场和瞬态温度场。考虑冷却降温效果,给出了不同时刻矫直辊、内冷水和外部空气的温度分布。并比较了不同钢板温度下,矫直辊的稳态温度场。计算结果发现,钢板温度显著影响矫直辊的稳态温度场,矫直辊的温度随钢板温度呈线性变化,且矫直辊周向温度在钢板处发生突变。