三維空氣吹掃噴嘴射流流場(chǎng)分析

， ， (.安徽工程大學(xué) 工程研發(fā)與訓(xùn)練中心， 安徽 蕪湖 4000； .燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

引言

目前無(wú)論是從熱軋到冷軋還是產(chǎn)品深加工，噴嘴應(yīng)用技術(shù)發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。噴嘴的質(zhì)量、布置和維護(hù)對(duì)冷軋?jiān)O(shè)備的使用壽命、冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量和冷軋機(jī)組的生產(chǎn)效率都有至關(guān)重要的影響[1-3]，因此對(duì)于噴嘴的研究也有其重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于噴嘴的相關(guān)研究還是很多的[4-6]，研究方向集中于流動(dòng)特性研究、噪聲機(jī)理的研究和傳熱特性的研究，其中流動(dòng)特性研究是最基本的，也是研究的最多的。

謝峻、何峻石2000年研究了二維軸對(duì)稱收縮噴嘴內(nèi)部流道型線對(duì)自由射流流場(chǎng)的影響。2002年又重點(diǎn)研究了氣動(dòng)噴嘴的亞聲速垂直沖擊射流和斜沖擊射流的流動(dòng)特性[7-9]。鐘定清、王龍[10]利用CFD仿真軟件對(duì)突變圓柱型、漸變圓錐形和漸變拋物線型三種結(jié)構(gòu)的吹掃噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真。邱明勇[11,12]根據(jù)可壓縮的二維軸對(duì)稱的N-S方程，利用有限體積法研究了激光切割噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)輔助氣體流場(chǎng)的影響分析。在國(guó)外，Hiroshi等[13]通過(guò)數(shù)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(duì)激波位置的影響。1993年，Cooper[14]等人利用雙通道熱線風(fēng)速儀詳細(xì)測(cè)量了無(wú)封閉板沖擊射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并校核了四種湍流模型。1996年，Barata[15]用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算研究了在有低速橫流的情況下，單個(gè)以及一組噴嘴所組成的復(fù)雜的沖擊射流流場(chǎng)。1997年，Ajersch等[16]用流動(dòng)顯示技術(shù)測(cè)量了有橫流時(shí)的沖擊射流的流動(dòng)狀態(tài)。

就目前的文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴嘴射流的研究方法主要有數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩種方法，研究?jī)?nèi)容的重點(diǎn)主要在于液體工質(zhì)的層流，對(duì)于可壓縮氣體射流的研究又主要針對(duì)于二維軸對(duì)稱的情況，并且大部分的為穩(wěn)態(tài)研究。本研究以平整機(jī)吹掃系統(tǒng)中三維空氣噴嘴為研究對(duì)象，借助流體仿真軟件，重點(diǎn)研究了噴嘴內(nèi)部、外部及靠近鋼板處的流動(dòng)狀態(tài)。

1 噴嘴吹掃仿真模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

噴嘴吹掃從理論上講屬于定常、湍流、可壓縮、粘性氣體沖擊射流。流體的運(yùn)動(dòng)要受質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程[17-19]的支配。本研究采用RNGk-ε湍流模型，該模型考慮了流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，因此可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。

引入湍流模型之后，時(shí)均形式的連續(xù)性方程、時(shí)均形式的N-S方程和溫度T的時(shí)均輸運(yùn)方程如下：

(1)

(2)

式中，ρ為流體的密度；p為壓強(qiáng)；u為流體速度；T為溫度；μ為流體動(dòng)力黏度；fi為微元體上的體力；ST為黏性耗散項(xiàng)。湍動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程分別為：

Gk+ρε

(4)

(5)

由于氣體與液體相比其壓縮系數(shù)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(shí)氣體當(dāng)作完全氣體來(lái)處理[19]，因此，這里使用氣體的狀態(tài)方程：

p=ρRT

(6)

式中，p為氣體壓強(qiáng)；ρ為氣體密度；T為氣體溫度。

1.2 計(jì)算域的確定和網(wǎng)格的劃分

所采用的噴嘴其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，入口直徑為d=7.2 mm，深度為7 mm的圓管，圓管底部截面呈球狀縮小，在噴嘴的底部開有一個(gè)寬1.1 mm狹槽。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

為了有效地模擬噴嘴外部氣體流場(chǎng)，可在噴嘴出口處銜接一個(gè)相對(duì)較大的外部計(jì)算區(qū)域，如圖2所示。網(wǎng)格劃分采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法，網(wǎng)格均為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3所示。在對(duì)網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2 整體模型

圖3 網(wǎng)格劃分

具體劃分為：由于噴嘴內(nèi)部形狀的不規(guī)則性，如圖4所示，對(duì)于噴嘴內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格類型為TGrid，網(wǎng)格單元形式為Tet/Hybrid，以便于和相對(duì)體積較大的外流場(chǎng)很好地銜接，網(wǎng)格總數(shù)為35859。對(duì)于噴嘴外部形狀較為規(guī)則的長(zhǎng)方體區(qū)域，網(wǎng)格類型為Cooper，網(wǎng)將沿著噴嘴出口狹縫長(zhǎng)度方向上的面設(shè)為源面，如圖5所示，網(wǎng)格單元為Hex/Wedge，沿著出口狹縫寬度方向進(jìn)行映射，外部區(qū)域劃分網(wǎng)格數(shù)為292485。

圖4 噴嘴內(nèi)部及其銜接區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 外流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 邊界條件以及介質(zhì)的設(shè)定

噴嘴入口設(shè)為壓力入口邊界條件，壓強(qiáng)設(shè)為4 bar，入口溫度設(shè)為310 K，穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，長(zhǎng)方體的四個(gè)周面以及頂面設(shè)為壓力出口邊界，壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓，溫度設(shè)為310 K。為簡(jiǎn)化分析，長(zhǎng)方體的底面設(shè)為靜止壁面條件，溫度為318 K。進(jìn)行氣液雙向流非穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，在鋼板表面設(shè)置一層厚度為1 mm的水膜，這時(shí)需要增加水的壓力出口邊界條件，壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓。

吹掃介質(zhì)設(shè)為空氣。

2 吹掃流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)分析

2.1 噴嘴內(nèi)部及外部的氣體的流動(dòng)狀態(tài)

如圖6所示，在噴嘴內(nèi)部選取了6個(gè)有代表性的截面。

圖6 噴嘴內(nèi)部6個(gè)截面示意圖

從圖7中可以看出，在距離噴嘴出口較遠(yuǎn)的截面1和截面2，整個(gè)截面上氣體速度保持均勻并且關(guān)于噴嘴軸線對(duì)稱，大概為20 m/s，在截面3處軸心的速度開始增大但速度分布仍然關(guān)于噴嘴軸線對(duì)稱，大概為40 m/s。而在截面4和截面5處，氣體速度的均勻性以及軸對(duì)稱性被破壞，從圖中可以看出隨著截面積的減小，整個(gè)截面速度明顯增大，在截面6即槽縫與半球流道相交處，在沿著槽縫長(zhǎng)度方向速度達(dá)到150 m/s，并且槽縫兩端的速度呈現(xiàn)出兩個(gè)峰值，速度大小近200 m/s，這是由于在噴嘴的喉部出口截面驟然變小，氣體急劇膨脹，速度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變。

圖7 噴嘴內(nèi)部6個(gè)截面上的速度云圖

對(duì)比圖8和圖9可知，氣體從噴嘴噴出后，隨著流程的增加，射流區(qū)域不斷擴(kuò)大，氣體分布逐漸發(fā)展成為鐘形。但是氣流在Y=0剖面上噴射的氣簾角度遠(yuǎn)大于其在X=0剖面上噴射的氣簾角度，這易于在鋼帶寬度上形成較大面積的吹掃，使氣體噴射到鋼板上的形狀為窄帶形。并且由于受到噴嘴內(nèi)部氣體速度分布規(guī)律的影響，使得氣體外部流場(chǎng)在同一Z截面上，噴嘴軸線上的速度要小于其兩側(cè)的速度。

圖8 Y=0截面上的速度云圖

圖9 X=0截面上的速度云圖

2.2 噴嘴軸線上的速度及壓強(qiáng)分布

從圖10中可以看出，在噴嘴內(nèi)部，氣體保持著入口時(shí)的壓強(qiáng)，并以相對(duì)較小的速度(小于50 m/s)流動(dòng)。當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的槽縫，伴隨著出口緊縮以及與外界大氣壓的相通，氣體速度會(huì)急劇增大而氣體壓力能會(huì)瞬間釋放，此時(shí)軸線方向上最高速度達(dá)到450 m/s，而壓強(qiáng)急劇減小，甚至出現(xiàn)負(fù)壓。當(dāng)高壓氣體噴入到外界環(huán)境中時(shí)，隨著射程的增大，速度逐漸減小直至到零，而壓強(qiáng)基本保持表壓為零，即一個(gè)大氣壓。

圖10 噴嘴軸線上壓強(qiáng)和速度變化曲線圖

2.3 靠近鋼板處的氣流分布情況

從圖11和圖12中可以看出，氣體到達(dá)鋼板之前，其x方向和y方向的速度分量很小，方向基本與噴嘴軸線平行，在沖擊鋼板之后，氣流速度的方向發(fā)生很大轉(zhuǎn)變。在軸線與鋼板的交點(diǎn)即沖擊點(diǎn)附近，其速度減小為零，在遠(yuǎn)離沖擊的區(qū)域，速度轉(zhuǎn)變?yōu)榛九c鋼板平行的方向。

圖11 Y=0截面上氣體流動(dòng)矢量圖

圖12 X=0截面上氣體流動(dòng)矢量圖

從圖13可以看出，靠近鋼板處，氣流速度降低為零并對(duì)鋼板形成一定的壓力，形成沖擊區(qū)。當(dāng)氣流沖擊鋼板后，變?yōu)閮晒蓭缀跖c鋼板壁面平行的氣流，形成漫流區(qū)。漫流區(qū)內(nèi)氣流仍保持一定的水平方向的速度，有利于將游離水分向兩側(cè)吹離鋼板表面。

圖13 靠近鋼板處軸線上壓強(qiáng)和速度曲線圖

3 吹掃流場(chǎng)的非穩(wěn)態(tài)分析

本研究采用自由表面模型即VOF模型，具體實(shí)現(xiàn)方法是在長(zhǎng)方體的底面上設(shè)置一層均勻的厚度為1 mm 的水膜，通過(guò)觀察不同時(shí)刻水的體積分?jǐn)?shù)，來(lái)衡量吹掃效果。

圖14為不同時(shí)刻距離鋼板3 mm的直線上壓強(qiáng)分布曲線。從曲線中可以看出，從0.01 s起，在關(guān)于沖擊點(diǎn)x=0對(duì)稱的x=±0.03 m區(qū)域形成高壓區(qū)，說(shuō)明此種噴嘴在高度為150 mm時(shí)形成的打擊范圍為0.06 m。在x=±0.03 m處的壓強(qiáng)要稍大于沖擊點(diǎn)處的壓強(qiáng)，這和前面分析的穩(wěn)態(tài)情況的速度場(chǎng)分布是對(duì)應(yīng)的。對(duì)比不同時(shí)時(shí)刻的壓強(qiáng)分布，可以看出隨著時(shí)間的推移，壓強(qiáng)的值略有減小，但高壓區(qū)的范圍基本不變，從0.04 s開始，壓強(qiáng)分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 距離鋼板3 mm的直線上壓強(qiáng)分布曲線

圖15為不同時(shí)刻距離鋼板3 mm的直線上速度v分量(即平行于板長(zhǎng)方向上的速度分量)馬赫數(shù)分布曲線。從曲線中可以看出，速度v分量的分布和壓強(qiáng)的分布正好相反，沖擊點(diǎn)處速度v分量很小，而在漫流區(qū)，漫流速度即速度v分量逐漸增大至Ma=0.05左右，并且由于射流剛開始時(shí)的不穩(wěn)定性，沖擊點(diǎn)兩側(cè)并未完全對(duì)稱。對(duì)比不同時(shí)時(shí)刻的速度v分量分布，可以看出隨著時(shí)間的推移，沖擊點(diǎn)附近速度逐漸增大，且從0.04 s開始，速度v分量的分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖15 距離鋼板3 mm的直線上速度v分量分布曲線

提取不同時(shí)刻鋼板表面上水的體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖16所示。從圖中可以明顯看出游離水的吹掃效果和氣流的速度大小是有很大的相關(guān)性的。氣流速度大的地方，其搬運(yùn)能力強(qiáng)，水分最先被吹離鋼板表面。

在0.01 s，關(guān)于沖擊點(diǎn)對(duì)稱的一個(gè)橢圓環(huán)狀區(qū)域內(nèi)的游離水分首先出現(xiàn)波動(dòng)，但波動(dòng)不大。從0.02 s開始，沖擊點(diǎn)兩側(cè)部分區(qū)域體積分?jǐn)?shù)小于0.1，說(shuō)明水分在鋼板上處于流動(dòng)狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移到0.06 s，鋼板四個(gè)邊角以及沿著鋼板寬度方向上過(guò)沖擊點(diǎn)的直線上的水分已經(jīng)被吹掃干凈，但是沿著鋼板長(zhǎng)度方向上過(guò)沖擊點(diǎn)出的直線上還有水分殘留。

4 結(jié)論

(1) 由于噴嘴進(jìn)氣流道呈半球狀緊縮以及出口處的槽縫結(jié)構(gòu)，使得氣體在噴嘴出口處速度的均勻性及軸對(duì)稱性被破壞，這直接導(dǎo)致在外部流場(chǎng)Y=0剖面上噴射的氣簾角度遠(yuǎn)大于其在X=0剖面上噴射的氣簾角度；

圖16 不同時(shí)刻鋼板表面水的體積分?jǐn)?shù)分布云圖

(2) 噴嘴軸線上的速度和壓強(qiáng)變化規(guī)律說(shuō)明了氣體由壓力能到動(dòng)能再到壓力能的轉(zhuǎn)化關(guān)系；

(3) 氣流沖擊鋼板后，軸線與鋼板的交點(diǎn)的附形成沖擊區(qū)，氣流與鋼板沖擊以后，其流動(dòng)方向發(fā)生很大變化，形成漫流區(qū)；

(4) 所選噴嘴在高度為150 mm時(shí)沿著板寬方向形成的打擊范圍為0.06 m，并且經(jīng)過(guò)0.06 s，沿板寬度方向上過(guò)沖擊點(diǎn)的直線上的水分已經(jīng)被吹掃干凈，但是沿著板長(zhǎng)方向上過(guò)沖擊點(diǎn)出的直線上還有水分殘留。

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