三维空气吹扫喷嘴射流流场分析

， ， (.安徽工程大学 工程研发与训练中心， 安徽 芜湖 4000； .燕山大学 机械工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

引言

目前无论是从热轧到冷轧还是产品深加工，喷嘴应用技术发挥的作用越来越明显。喷嘴的质量、布置和维护对冷轧设备的使用寿命、冷轧产品的质量和冷轧机组的生产效率都有至关重要的影响[1-3]，因此对于喷嘴的研究也有其重要的意义。

目前，国内外学者对于喷嘴的相关研究还是很多的[4-6]，研究方向集中于流动特性研究、噪声机理的研究和传热特性的研究，其中流动特性研究是最基本的，也是研究的最多的。

谢峻、何峻石2000年研究了二维轴对称收缩喷嘴内部流道型线对自由射流流场的影响。2002年又重点研究了气动喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流的流动特性[7-9]。钟定清、王龙[10]利用CFD仿真软件对突变圆柱型、渐变圆锥形和渐变抛物线型三种结构的吹扫喷嘴内部流场进行了有限元仿真。邱明勇[11,12]根据可压缩的二维轴对称的N-S方程，利用有限体积法研究了激光切割喷嘴结构对辅助气体流场的影响分析。在国外，Hiroshi等[13]通过数值求解欧拉方程，分析了欠膨胀的超音速自由射流喷嘴出口截面与轴线的夹角对激波位置的影响。1993年，Cooper[14]等人利用双通道热线风速仪详细测量了无封闭板冲击射流的流场结构，并校核了四种湍流模型。1996年，Barata[15]用实验方法和数值计算研究了在有低速横流的情况下，单个以及一组喷嘴所组成的复杂的冲击射流流场。1997年，Ajersch等[16]用流动显示技术测量了有横流时的冲击射流的流动状态。

就目前的文献来看，国内外学者对喷嘴射流的研究方法主要有数值模拟和实验两种方法，研究内容的重点主要在于液体工质的层流，对于可压缩气体射流的研究又主要针对于二维轴对称的情况，并且大部分的为稳态研究。本研究以平整机吹扫系统中三维空气喷嘴为研究对象，借助流体仿真软件，重点研究了喷嘴内部、外部及靠近钢板处的流动状态。

1 喷嘴吹扫仿真模型的建立

1.1 数学模型

喷嘴吹扫从理论上讲属于定常、湍流、可压缩、粘性气体冲击射流。流体的运动要受质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程[17-19]的支配。本研究采用RNGk-ε湍流模型，该模型考虑了流动中的旋转流动情况，因此可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。

引入湍流模型之后，时均形式的连续性方程、时均形式的N-S方程和温度T的时均输运方程如下：

(1)

(2)

式中，ρ为流体的密度；p为压强；u为流体速度；T为温度；μ为流体动力黏度；fi为微元体上的体力；ST为黏性耗散项。湍动能k和耗散率ε的输运方程分别为：

Gk+ρε

(4)

(5)

由于气体与液体相比其压缩系数很大，故高速气流的研究一般都要考虑气体的可压缩性。工程上均可把真实气体当作完全气体来处理[19]，因此，这里使用气体的状态方程：

p=ρRT

(6)

式中，p为气体压强；ρ为气体密度；T为气体温度。

1.2 计算域的确定和网格的划分

所采用的喷嘴其内部结构如图1所示，入口直径为d=7.2 mm，深度为7 mm的圆管，圆管底部截面呈球状缩小，在喷嘴的底部开有一个宽1.1 mm狭槽。

图1 喷嘴结构示意图

为了有效地模拟喷嘴外部气体流场，可在喷嘴出口处衔接一个相对较大的外部计算区域，如图2所示。网格划分采用分区域划分网格的方法，网格均为非结构网格，如图3所示。在对网格划分的过程中，对网格无关性进行了验证。

图2 整体模型

图3 网格划分

具体划分为：由于喷嘴内部形状的不规则性，如图4所示，对于喷嘴内部区域网格类型为TGrid，网格单元形式为Tet/Hybrid，以便于和相对体积较大的外流场很好地衔接，网格总数为35859。对于喷嘴外部形状较为规则的长方体区域，网格类型为Cooper，网将沿着喷嘴出口狭缝长度方向上的面设为源面，如图5所示，网格单元为Hex/Wedge，沿着出口狭缝宽度方向进行映射，外部区域划分网格数为292485。

图4 喷嘴内部及其衔接区域网格划分示意图

图5 外流场区域网格划分示意图

1.3 边界条件以及介质的设定

喷嘴入口设为压力入口边界条件，压强设为4 bar，入口温度设为310 K，稳态分析时，长方体的四个周面以及顶面设为压力出口边界，压强为一个大气压，温度设为310 K。为简化分析，长方体的底面设为静止壁面条件，温度为318 K。进行气液双向流非稳态分析时，在钢板表面设置一层厚度为1 mm的水膜，这时需要增加水的压力出口边界条件，压强为一个大气压。

吹扫介质设为空气。

2 吹扫流场的稳态分析

2.1 喷嘴内部及外部的气体的流动状态

如图6所示，在喷嘴内部选取了6个有代表性的截面。

图6 喷嘴内部6个截面示意图

从图7中可以看出，在距离喷嘴出口较远的截面1和截面2，整个截面上气体速度保持均匀并且关于喷嘴轴线对称，大概为20 m/s，在截面3处轴心的速度开始增大但速度分布仍然关于喷嘴轴线对称，大概为40 m/s。而在截面4和截面5处，气体速度的均匀性以及轴对称性被破坏，从图中可以看出随着截面积的减小，整个截面速度明显增大，在截面6即槽缝与半球流道相交处，在沿着槽缝长度方向速度达到150 m/s，并且槽缝两端的速度呈现出两个峰值，速度大小近200 m/s，这是由于在喷嘴的喉部出口截面骤然变小，气体急剧膨胀，速度会出现一个突变。

图7 喷嘴内部6个截面上的速度云图

对比图8和图9可知，气体从喷嘴喷出后，随着流程的增加，射流区域不断扩大，气体分布逐渐发展成为钟形。但是气流在Y=0剖面上喷射的气帘角度远大于其在X=0剖面上喷射的气帘角度，这易于在钢带宽度上形成较大面积的吹扫，使气体喷射到钢板上的形状为窄带形。并且由于受到喷嘴内部气体速度分布规律的影响，使得气体外部流场在同一Z截面上，喷嘴轴线上的速度要小于其两侧的速度。

图8 Y=0截面上的速度云图

图9 X=0截面上的速度云图

2.2 喷嘴轴线上的速度及压强分布

从图10中可以看出，在喷嘴内部，气体保持着入口时的压强，并以相对较小的速度(小于50 m/s)流动。当气体经过喷嘴的槽缝，伴随着出口紧缩以及与外界大气压的相通，气体速度会急剧增大而气体压力能会瞬间释放，此时轴线方向上最高速度达到450 m/s，而压强急剧减小，甚至出现负压。当高压气体喷入到外界环境中时，随着射程的增大，速度逐渐减小直至到零，而压强基本保持表压为零，即一个大气压。

图10 喷嘴轴线上压强和速度变化曲线图

2.3 靠近钢板处的气流分布情况

从图11和图12中可以看出，气体到达钢板之前，其x方向和y方向的速度分量很小，方向基本与喷嘴轴线平行，在冲击钢板之后，气流速度的方向发生很大转变。在轴线与钢板的交点即冲击点附近，其速度减小为零，在远离冲击的区域，速度转变为基本与钢板平行的方向。

图11 Y=0截面上气体流动矢量图

图12 X=0截面上气体流动矢量图

从图13可以看出，靠近钢板处，气流速度降低为零并对钢板形成一定的压力，形成冲击区。当气流冲击钢板后，变为两股几乎与钢板壁面平行的气流，形成漫流区。漫流区内气流仍保持一定的水平方向的速度，有利于将游离水分向两侧吹离钢板表面。

图13 靠近钢板处轴线上压强和速度曲线图

3 吹扫流场的非稳态分析

本研究采用自由表面模型即VOF模型，具体实现方法是在长方体的底面上设置一层均匀的厚度为1 mm 的水膜，通过观察不同时刻水的体积分数，来衡量吹扫效果。

图14为不同时刻距离钢板3 mm的直线上压强分布曲线。从曲线中可以看出，从0.01 s起，在关于冲击点x=0对称的x=±0.03 m区域形成高压区，说明此种喷嘴在高度为150 mm时形成的打击范围为0.06 m。在x=±0.03 m处的压强要稍大于冲击点处的压强，这和前面分析的稳态情况的速度场分布是对应的。对比不同时时刻的压强分布，可以看出随着时间的推移，压强的值略有减小，但高压区的范围基本不变，从0.04 s开始，压强分布达到稳定状态。

图14 距离钢板3 mm的直线上压强分布曲线

图15为不同时刻距离钢板3 mm的直线上速度v分量(即平行于板长方向上的速度分量)马赫数分布曲线。从曲线中可以看出，速度v分量的分布和压强的分布正好相反，冲击点处速度v分量很小，而在漫流区，漫流速度即速度v分量逐渐增大至Ma=0.05左右，并且由于射流刚开始时的不稳定性，冲击点两侧并未完全对称。对比不同时时刻的速度v分量分布，可以看出随着时间的推移，冲击点附近速度逐渐增大，且从0.04 s开始，速度v分量的分布达到稳定状态。

图15 距离钢板3 mm的直线上速度v分量分布曲线

提取不同时刻钢板表面上水的体积分数分布云图，如图16所示。从图中可以明显看出游离水的吹扫效果和气流的速度大小是有很大的相关性的。气流速度大的地方，其搬运能力强，水分最先被吹离钢板表面。

在0.01 s，关于冲击点对称的一个椭圆环状区域内的游离水分首先出现波动，但波动不大。从0.02 s开始，冲击点两侧部分区域体积分数小于0.1，说明水分在钢板上处于流动状态。随着时间的推移到0.06 s，钢板四个边角以及沿着钢板宽度方向上过冲击点的直线上的水分已经被吹扫干净，但是沿着钢板长度方向上过冲击点出的直线上还有水分残留。

4 结论

(1) 由于喷嘴进气流道呈半球状紧缩以及出口处的槽缝结构，使得气体在喷嘴出口处速度的均匀性及轴对称性被破坏，这直接导致在外部流场Y=0剖面上喷射的气帘角度远大于其在X=0剖面上喷射的气帘角度；

图16 不同时刻钢板表面水的体积分数分布云图

(2) 喷嘴轴线上的速度和压强变化规律说明了气体由压力能到动能再到压力能的转化关系；

(3) 气流冲击钢板后，轴线与钢板的交点的附形成冲击区，气流与钢板冲击以后，其流动方向发生很大变化，形成漫流区；

(4) 所选喷嘴在高度为150 mm时沿着板宽方向形成的打击范围为0.06 m，并且经过0.06 s，沿板宽度方向上过冲击点的直线上的水分已经被吹扫干净，但是沿着板长方向上过冲击点出的直线上还有水分残留。

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