入射角對吹掃噴嘴射流流場的影響

郝亞，王如高，高殿榮

(1.安徽工程大學工程研發(fā)與訓練中心，安徽蕪湖241000;2.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

目前，無論是從熱軋到冷軋還是產品深加工，噴嘴的應用技術發(fā)揮的作用越來越明顯。噴嘴的質量、布置和維護對冷軋設備的使用壽命、冷軋產品的質量和冷軋機組的生產效率都有至關重要的影響［1－3］，因此對于噴嘴的研究也有重要的意義。

目前，國內外學者對于噴嘴的相關研究還是很多的［4－6］，研究方向集中于流動特性研究、噪聲機制的研究和傳熱特性的研究，其中流動特性研究是最基本的，也是研究的最多的。

謝峻石，何楓于2000年研究了二維軸對稱收縮噴嘴內部流道型線對自由射流流場的影響。2002年又重點研究了氣動噴嘴的亞聲速垂直沖擊射流和斜沖擊射流的流動特性［7－9］。鐘定清和王龍［10］利用 CFD仿真軟件對突變圓柱型、漸變圓錐形和漸變拋物線型3種結構的吹掃噴嘴內部流場進行了有限元仿真。邱明勇等［11－12］根據可壓縮的二維軸對稱的 N-S方程，利用有限體積法研究了激光切割噴嘴結構對輔助氣體流場的影響分析。在國外，HIROSHI等［13］通過數值求解歐拉方程，分析了欠膨脹的超音速自由射流噴嘴出口截面與軸線的夾角對激波位置的影響。1993年，COOPER［14］等人利用雙通道熱線風速儀詳細測量了無封閉板沖擊射流的流場結構，并校核了4種湍流模型。1996年，BARATA［15］用實驗方法和數值計算研究了在有低速橫流的情況下，單個以及一組噴嘴所組成的復雜的沖擊射流流場。1997年，AJERSCH等［16］用流動顯示技術測量了有橫流時的沖擊射流的流動狀態(tài)。

就目前的文獻來看，國內外學者研究內容的重點主要在于液體工質的層流，對于可壓縮氣體射流的研究大多針對于二維軸對稱的情況。圖1為平整機吹掃系統(tǒng)中噴嘴各布置參數的示意圖，重點研究了噴嘴布置參數中入射角α對噴嘴射流流場的影響規(guī)律，根據模擬結果提出了最優(yōu)值，為生產實際中噴嘴的布置提供一定的參考。

圖1 噴嘴各布置參數的示意圖

文中采用3個相同類型的噴嘴進行分析，在將其他參數設為定值的情況下，將吹掃入射角α依次設為 90°、60°、45°、30°，模擬方案見表 1。

表1 α不同時的模擬方案

為了便于分析計算結果，建立如圖1所示的坐標系:中間噴嘴軸線與鋼板的交點為坐標系原點O，沿板寬方向為x方向，板長方向為y方向，垂直于板面為z方向，對應3個方向的速度分量分別為u、v、w。線段l1與y軸平行，位于O點正上方3 mm處，線段l2過O點且與y軸平行。

1 噴嘴吹掃仿真模型的建立

1.1 數學模型

噴嘴吹掃理論上屬于定常、湍流、可壓縮、黏性氣體沖擊射流。流體的運動要受質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程［17－19］的支配。文中采用RNGk-ε湍流模型。引入湍流模型之后，時均形式的連續(xù)性方程、時均形式的N-S方程和溫度T的時均輸運方程如下:

k和ε的輸運方程分別為:

由于氣體和液體相比其壓縮系數很大，故高速氣流的研究一般都要考慮氣體的可壓縮性。工程上均可把真實氣體當作完全氣體來處理［20］，因此，這里使用氣體的狀態(tài)方程:

式中:p為氣體壓強，ρ為氣體密度，T為氣體密度。

1.2 計算域的確定和網格的劃分

為了有效地模擬噴嘴外部氣體流場，可在噴嘴出口處銜接一個相對較大的外部計算區(qū)域，如圖2所示為α=60°時的計算域模型及網格劃分模型。網格劃分采用分區(qū)域劃分網格的方法，網格均為非結構網格。

圖2 整體模型及其網格劃分

1.3 邊界條件以及介質的設定

噴嘴入口設為壓力入口，壓強為0.4 MPa，長方體的四個周面以及頂面設為壓力出口邊界，壓強為一個大氣壓，給定長方體底面沿－y方向的速度20 m/s。吹掃介質設為空氣。

2 速度場分析

圖3為吹掃入射角分別為 90°、60°、45°、30°時，X=0截面上的速度云圖，從圖中可以看出，一定的入射角破壞了垂直吹掃時速度關于沖擊點的對稱分布。氣流沖擊到鋼板后，主流將向沖擊點右側(+y方向)流動，在射流左側 (－y方向)靠近沖擊點區(qū)域的氣體由于受到射流的卷吸作用，也將向右側流動，這樣在相同的流量下造成更多的流體流向右側。

圖3 X=0截面上的速度云圖

圖4為X=0截面上速度矢量圖的局部放大圖，從圖中可知，噴嘴以不同的入射角度進行吹掃時，在氣流接觸到鋼板以后，都會形成沖擊區(qū)和漫流區(qū)。當入射角度為60°、45°、30°時，會在沖擊點左側形成明顯的漩渦，入射角越小，漩渦越靠近鋼板表面，這樣容易形成飛濺，因此入射角不能過小。同時，右側的漩渦強度隨著傾角的減小而減弱，從而形成更厚的附壁射流。

圖4 X=0截面上的速度矢量圖

圖5為線段l1上的速度v分量分布曲線，從圖中可以看出:隨著入射角的減小，速度v分量滯止為零的點逐漸向沖擊點左側移動，在鋼板同一位置處，向前吹的速度隨傾角的減小而增大，向后吹的速度隨著傾角的減小逐漸減小，可見，傾角越小越能集中能量向同一方向吹掃。

圖5 速度v分量沿l1的分布曲線

3 壓力場分析

圖6為X=0截面上的壓力云圖，從中可以看出，氣流吹到鋼板上時，通過動量的轉化，在沖擊點附近對鋼板造成一定的沖擊力。當入射角為60°、45°、30°時的斜射流，其最大的壓力的位置并非位于噴嘴軸線與鋼板的交點處，而是位于偏左 (y＜0)的某點。這與沖擊射流的理論分析結論是一致的，驗證了模擬的正確性。

圖6 X=0截面上的壓力云圖

圖7為線段l1上的速度w分量與線段l2上的壓強分布曲線，從圖中可以看出，對于任一特定的入射角，壓強和速度w分量的分布是一致的，即在速度w分量最大的地方對鋼板造成的沖擊壓力最大，而在遠離速度最大點的兩側，壓強和速度w分量迅速減小，其中在下游速度減小為零，射流轉化為平行與鋼板的附壁射流，而在上游，速度出現(xiàn)負值，說明在此處出現(xiàn)回流。

圖7 速度w分量與壓強分布對比曲線

圖8為線段l2上的壓強分布曲線，從圖中可以對比以不同入射角吹掃時鋼板上的壓強分布，隨著傾角的減小，壓強最大點逐漸向y＜0方向移動，并且在鋼板同一位置處，壓強隨傾角的減小而減小，通過分析壓強與速度w分量之間的關系，可以得出這是由于隨著傾角的減小，垂直于鋼板的動量減小，導致氣流對鋼板的沖擊力減弱。

圖8 鋼板上壓強分布曲線

4 結論

(1)一定的入射角破壞了垂直吹掃時速度關于沖擊點的對稱分布，在相同的流量下會有更多的流體流向右側;入射角越小，在沖擊點左側靠近鋼板處形成的漩渦越靠近鋼板表面，越容易形成飛濺。

(2)斜射流的情況下，鋼板上最大壓力的位置并非位于噴嘴軸線與鋼板的交點處，而是位于偏左側的某點，這驗證了模擬的正確性。

(3)對于任一特定的入射角，鋼板上壓強的分布和速度w分量的變化趨勢是相對應的;隨著傾角的減小，壓強最大點逐漸向y＜0方向移動，并且在鋼板同一位置處，壓強隨傾角的減小而減小。

(4)在應用中，應該根據實際情況選擇合適的入射角，為了保證在對鋼板形成一定沖擊壓力的前提下獲得較大的吹掃速度，文中根據結果推薦45°左右。

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