入射角对吹扫喷嘴射流流场的影响

郝亚，王如高，高殿荣

(1.安徽工程大学工程研发与训练中心，安徽芜湖241000;2.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004)

0 前言

目前，无论是从热轧到冷轧还是产品深加工，喷嘴的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、噪声机制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。

谢峻石，何枫于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］。钟定清和王龙［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3种结构的吹扫喷嘴内部流场进行了有限元仿真。邱明勇等［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4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大多针对于二维轴对称的情况。图1为平整机吹扫系统中喷嘴各布置参数的示意图，重点研究了喷嘴布置参数中入射角α对喷嘴射流流场的影响规律，根据模拟结果提出了最优值，为生产实际中喷嘴的布置提供一定的参考。

图1 喷嘴各布置参数的示意图

文中采用3个相同类型的喷嘴进行分析，在将其他参数设为定值的情况下，将吹扫入射角α依次设为 90°、60°、45°、30°，模拟方案见表 1。

表1 α不同时的模拟方案

为了便于分析计算结果，建立如图1所示的坐标系:中间喷嘴轴线与钢板的交点为坐标系原点O，沿板宽方向为x方向，板长方向为y方向，垂直于板面为z方向，对应3个方向的速度分量分别为u、v、w。线段l1与y轴平行，位于O点正上方3 mm处，线段l2过O点且与y轴平行。

1 喷嘴吹扫仿真模型的建立

1.1 数学模型

喷嘴吹扫理论上属于定常、湍流、可压缩、黏性气体冲击射流。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。文中采用RNGk-ε湍流模型。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:

k和ε的输运方程分别为:

由于气体和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［20］，因此，这里使用气体的状态方程:

式中:p为气体压强，ρ为气体密度，T为气体密度。

1.2 计算域的确定和网格的划分

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所示为α=60°时的计算域模型及网格划分模型。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。

图2 整体模型及其网格划分

1.3 边界条件以及介质的设定

喷嘴入口设为压力入口，压强为0.4 MPa，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，给定长方体底面沿－y方向的速度20 m/s。吹扫介质设为空气。

2 速度场分析

图3为吹扫入射角分别为 90°、60°、45°、30°时，X=0截面上的速度云图，从图中可以看出，一定的入射角破坏了垂直吹扫时速度关于冲击点的对称分布。气流冲击到钢板后，主流将向冲击点右侧(+y方向)流动，在射流左侧 (－y方向)靠近冲击点区域的气体由于受到射流的卷吸作用，也将向右侧流动，这样在相同的流量下造成更多的流体流向右侧。

图3 X=0截面上的速度云图

图4为X=0截面上速度矢量图的局部放大图，从图中可知，喷嘴以不同的入射角度进行吹扫时，在气流接触到钢板以后，都会形成冲击区和漫流区。当入射角度为60°、45°、30°时，会在冲击点左侧形成明显的漩涡，入射角越小，漩涡越靠近钢板表面，这样容易形成飞溅，因此入射角不能过小。同时，右侧的漩涡强度随着倾角的减小而减弱，从而形成更厚的附壁射流。

图4 X=0截面上的速度矢量图

图5为线段l1上的速度v分量分布曲线，从图中可以看出:随着入射角的减小，速度v分量滞止为零的点逐渐向冲击点左侧移动，在钢板同一位置处，向前吹的速度随倾角的减小而增大，向后吹的速度随着倾角的减小逐渐减小，可见，倾角越小越能集中能量向同一方向吹扫。

图5 速度v分量沿l1的分布曲线

3 压力场分析

图6为X=0截面上的压力云图，从中可以看出，气流吹到钢板上时，通过动量的转化，在冲击点附近对钢板造成一定的冲击力。当入射角为60°、45°、30°时的斜射流，其最大的压力的位置并非位于喷嘴轴线与钢板的交点处，而是位于偏左 (y＜0)的某点。这与冲击射流的理论分析结论是一致的，验证了模拟的正确性。

图6 X=0截面上的压力云图

图7为线段l1上的速度w分量与线段l2上的压强分布曲线，从图中可以看出，对于任一特定的入射角，压强和速度w分量的分布是一致的，即在速度w分量最大的地方对钢板造成的冲击压力最大，而在远离速度最大点的两侧，压强和速度w分量迅速减小，其中在下游速度减小为零，射流转化为平行与钢板的附壁射流，而在上游，速度出现负值，说明在此处出现回流。

图7 速度w分量与压强分布对比曲线

图8为线段l2上的压强分布曲线，从图中可以对比以不同入射角吹扫时钢板上的压强分布，随着倾角的减小，压强最大点逐渐向y＜0方向移动，并且在钢板同一位置处，压强随倾角的减小而减小，通过分析压强与速度w分量之间的关系，可以得出这是由于随着倾角的减小，垂直于钢板的动量减小，导致气流对钢板的冲击力减弱。

图8 钢板上压强分布曲线

4 结论

(1)一定的入射角破坏了垂直吹扫时速度关于冲击点的对称分布，在相同的流量下会有更多的流体流向右侧;入射角越小，在冲击点左侧靠近钢板处形成的漩涡越靠近钢板表面，越容易形成飞溅。

(2)斜射流的情况下，钢板上最大压力的位置并非位于喷嘴轴线与钢板的交点处，而是位于偏左侧的某点，这验证了模拟的正确性。

(3)对于任一特定的入射角，钢板上压强的分布和速度w分量的变化趋势是相对应的;随着倾角的减小，压强最大点逐渐向y＜0方向移动，并且在钢板同一位置处，压强随倾角的减小而减小。

(4)在应用中，应该根据实际情况选择合适的入射角，为了保证在对钢板形成一定冲击压力的前提下获得较大的吹扫速度，文中根据结果推荐45°左右。

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