多排密集圆孔气体冲击射流换热的实验研究

陈晓丹，刘华飞，李　伟

（1.宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部，上海201900；2.宝山钢铁股份有限公司 研究院，上海201900；3.宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部精密钢管厂，上海201900）



多排密集圆孔气体冲击射流换热的实验研究

陈晓丹1，刘华飞2，李伟3

（1.宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部，上海201900；2.宝山钢铁股份有限公司 研究院，上海201900；3.宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部精密钢管厂，上海201900）

气体冲击射流的换热系数是设计喷气冷却装置必需的参数。本文采用实验方法研究了多排密集圆孔气体冲击射流的换热过程，主要考察了射流雷诺数ReD，普朗特数Pr，无量纲喷嘴间距Xn/d，无量纲喷射高度H/d和排气方式对平均对流换热系数的影响。实验结果表明：平均努谢尔数NuD随ReD数的0.69次幂增长，随无量纲数Xn/d的-0.269次幂和无量纲数H/d的-0.273次幂的方式减小，同时设置排气通道会显著提高换热系数。实验数据整理成平均努谢尔数NuD与ReD数、Pr数、无量纲间距Xn/d、无量纲喷射高度H/d的准则关系式，测量值与回归结果偏差在7%的范围内。得到的准则关系式与Martin公式比较，更适合于高开孔率的密集冲击射流。

多排圆孔气体射流；冲击冷却；对流换热系数

气体通过喷嘴喷射到固体表面进行冷却称为气体冲击射流冷却，又称喷气冷却［1］。采用气体冲击射流进行快速冷却，实现组织强化，也是最有效最经济的热处理工艺之一，为此它在板材、棒材等热处理中得到了广泛的应用［1-2］。准确地获得气体冲击射流的换热系数是这一领域关注的重点［3］。

近年来，尽管气体冲击射流的数值模拟取得了长足的进展，研究者采用低雷诺数k-ε模型［4］、标准k-ε模型［5-6］、RNG k-ε模型［7］，甚至大涡模拟［8-10］来获得流场和换热系数的分布。但由于冲击射流传热的复杂性，目前还未找到公认的、合适的湍流模型［11-12］，通过数值方法准确、定量地确定冲击射流的换热系数还尚待时日。

采用实验方法研究冲击换热系数，仍是冲击射流换热领域最主要的研究手段。国内外对于圆孔型冲击射流的试验研究比较多，如文献［13］～［17］研究了单孔气体冲击射流的换热系数，文献［18］～［20］研究了多排圆孔喷嘴的间距、高度、排气方式等对换热的影响。上述针对多排圆孔射流的实验研究中，通常采用的喷嘴直径通常较小，射流速度较低，射流雷诺数ReD主要集中在30 000以下。Martin［21］综合了自己和其它研究者的实验数据，总结出适用性更广的准数方程，使ReD范围扩展到100 000。Martin的准数方程很全面地考虑各种影响因素，包含了喷嘴结构与布置，喷气速度与介质种类等，但当时密集型气体冲击冷却还未得到充分应用，开孔率Af（喷孔面积/总面积）的适用范围比较低，0.004≤Af≤0.04。近来更多研究者的研究表明，当开孔率较高时，其实验结果与Martin公式的差别高达30%左右［22-23］。

在工业界，热处理工艺的发展对喷气冷却的冷却速率和冷却均匀性提出更高的要求。主要体现在：①为了提高冷却能力，冲击射流速度增大，射流雷诺数ReD进一步增大，通常在ReD的范围为30 000至100 000，这已远远超出早期很多研究结果的适用范围；②为了实现均匀冷却和提高冷却速率，工业应用时多采用密集型的多排冲击射流；这要求在考虑排气的同时，提高开孔率Af（喷孔面积/总面积）以获得更高的气体流量密度（单位面积的气体流量），从而增大换热系数；③采用密度小、导热系数高的气体，如H2等作为冷却介质，平均换热系数可达到700～1 000 W/（m2·K）［24］。可见高ReD数，高开孔率Af还需要进一步开展实验研究。

本文的主要工作是多排密集圆孔气体冲击换热进行实验研究，以得到平均对流换热系数。相比于已有的实验研究，实验采用的工业中常用的喷嘴尺寸较大，喷气速度高达100 m/s，射流雷诺数范围扩展到100 000；有效开孔率高，最大开孔率达到0.224。本文实验研究的条件与实际生产线的使用条件一致，因此本文的研究工作对工业设备设计具有较强的参考价值。

1　实验原理和实验装置

1.1实验原理

实验原理如图1所示，速度为Ue，温度为Tg的气体射流1从多排密集圆孔喷嘴喷射到高温薄铜板2上。高温薄铜板通过黏贴在铜板背面的薄膜电阻加热器供热，气体冷却薄铜板后，废气从侧面排出。当铜板的表面温度Ts达到稳定状态，在铜板与气体换热面上，满足如下热平衡：

由此对流换热系数定义为

式中：qe为电加热产生焦耳热的热流密度；qc和qr分别为对流和辐射换热的热流密度，W/（m2·K）；hc和hr分别为对流和辐射换热系数，W/（m2·K）；Ts为铜板表面温度，K；Tg为喷射气体温度，K。其中辐射换热系数hr采用下式计算：

式中：σ为Boltzmann常数，且σ＝5.67×10-8；ε为黄铜板表面的黑度，取ε＝0.8；Ta为环境温度，K。

图1　测量原理示意图

基于圆孔直径，定义射流雷诺数为

平均努谢尔数为

式中：d为喷孔直径，m；Ue为喷口处气体速度，m/s；kg为气体的导热系数，W/（m·K）；vg为气体的运动黏性系数，m2/s。上述准数中，定性温度采用气体喷口处的温度值Tg。

1.2实验装置与步骤

图2为多排密集圆孔喷嘴气体冲击射流换热的试验系统，主要由供风系统、测试段和测量系统组成。在供风系统中，空气由一台额定风量为3 200 m3/ min，风压为13 000 Pa的离心式风机经直径400 mm风管鼓入风箱。实验中可以调节气体流量，以保证喷射速度Ue在50～100 m/s的范围内。

图2　测量原理示意图

测试段主要由风箱、多排圆孔喷嘴、冲击板和高温薄铜板组成。冲击板的边长为660 mm，采用8 mm厚的碳钢制作而成，用以模拟气体射流冲击后形成的流场；高温薄铜板镶嵌在冲击板的中央，厚度2.0 mm，边长250 mm。高温薄铜板与冲击板之间填充绝热材料，以避免导热。由于铜板厚度小，导热系数高，可以忽略其厚度方向的导热热流。此外采用薄铜板作为高温面可保证温度的均匀性，在加热过程中不容易变形。薄膜电加热片采用Omega公司的型号为SRFG-1010-P电加热器，一面采用耐热高温胶粘结在铜板背面上，另一面有玻璃纤维绝热，通过稳压电源供电，总功率为1 kW。

冲击板安装在可移动的支架上，通过滚珠丝杠使冲击板与风箱水平移动，调节框架上腰形孔的螺栓位置可改变冲击板与喷口的间距H。

为了研究排气方式的影响，实验用的喷嘴分为如图3所示的两种型式：一种是平板上直接开孔形成多孔板，孔径d=15 mm，孔间距Xn的为30～75 mm （Xn/d=2～5），孔交错布置，开孔率变化范围为0.036～0.227，喷嘴到冷却面的高度H/d＝2～10；另一种是在喷嘴间考虑排气通道，孔径d=8 mm，孔间距Xn=50 mm，孔交错布置，喷嘴到冷却面的高度H/d＝50～100 mm。两种情况下的开孔率计算见图4。

气体流量通过安装在风管总管上的孔板流量计测量，风管上装有取压孔测量风压，同时测量供气温度，用以修正流量测量。风箱上设置测压孔和热电阻温度计测量风箱的压力和风温。在铜板的背面通过电容焊焊接数只直径0.3 mm的热电偶丝测量铜板温度，热电偶型式为铜康铜，铜板温度取热电偶的平均值。排气温度采用水银温度计测量。

实验的主要步骤如下：调节腰形孔定位螺栓位置，使喷嘴到冲击板间距H至试验设定值；通过滚珠丝杠使风箱水平移动，使高温薄铜板移到测试喷嘴的下方；调节总管风量，使喷气速度至要求值，对铜板进行冷却；接通电加热器电源，铜板升温；调节加热器的供电电压，使板的平均温度值稳定在100～150℃左右，当温度值定后，记录有关数据；重复进行3～4次试验，直至测量的换热系数值差别很小。

图3　不同排气方式下的喷嘴布置图

图4　不同喷嘴布置方式下的开孔率图

误差分析表明，在95%置信度下，对流换热系数的测量误差小于10%，误差的主要来源是铜板温度的测量，ReD的误差小于8%。

2　试验结果分析

2.1换热系数的分布

图5是不考虑排气通道、铜板温度为100℃条件下平均换热系数值。图中表示了不同ReD和Xn/d条件下，平均换热系数随喷射高度H/d的变化趋势。由图可以看出，随H/d的增加换热系数降低，与单孔射流不同的是，即使H/d小于5，换热系数也呈显著下降趋势。这说明在不考虑排气通道的条件下，即使H/d＜5，相邻射流之间的干扰对平均换热系数会有明显的削弱作用。

根据开孔率定义，开孔率与喷嘴间距有关，随喷嘴间距增加而减小。图6表明了喷嘴间距对换热系数的影响，当Xn/d从由2增加5，开孔率下降，换热系数要下降22%左右，但Xn/d趋近5时，换热系数的减小幅度明显趋缓，Xn/d从由4增加5，换热系数仅下降5%左右。

值得注意的是，不同的ReD下，喷射高度H/d和喷嘴间距Xn/d对换热系数的影响程度相近。

雷诺数ReD对换热系数影响如图7所示，实验条件为孔间距Xn/d=5，当雷诺数ReD从30 000增加到88 000，换热系数约增加了1倍。

图5　无量纲喷射高度H/d对换热系统的影响图

图6　无量纲喷嘴间距Xn/d对换热系统的影响图

图7　雷诺数ReD对换热系数的影响图

2.2传热准数方程

实验研究的目的是通过模型实验，确定努塞尔数NuD与雷诺数ReD、无量纲喷射高度H/d、无量纲喷嘴间距Xn/d或开孔率Af的关系。

根据相似理论，平均努谢尔数可整理成如下关系式：

式中：C、m、n和p为常数，Pr的影响直接参照单孔射流的结果［24］，n=0.482。对于不考虑排风通道的喷嘴，上述常数为m=0.69，p=-0.268，q=-0.273，适用范围为：30 000≤ReD≤88 000，2≤Xn/d≤5，2≤H/d≤10，0.036≤Af≤0.227，定性温度为气体喷射出口温度Tg，定性尺寸d。图8为准数方程计算值和测量值的比较，二者间的最大偏差为7%，97%的实验点落在±7%的偏差范围内。

图8　准数方程与Martin公式比较图

Martin总结的准数方程为：

公式的适用范围为2 000≤ReD≤400 000，2≤H/d≤12，0.004≤Af≤0.04。通过比较可知，本文得出的准数方程的雷诺数ReD的幂次与Martin公式接近，主要差异体现在结构参数的影响。首先比较低开孔率的情形，如果Af=0.036 5，Martin公式无需外延，如图8所示，Martin公式计算的NuD数比没有排风通道条件的高，比排风通畅条件的低，而且这种差异随着ReD的增加，越来越显著。这可以归因于Martin采用的实验喷嘴留有一定的排气通道，但仍不足够消除射流间的相互干扰，因此其换热系数高于完全没有排气通道的情形，却低于排气通畅的情形。尽管Martin公式的适用范围为0.004≤Af≤0.04，为了便于判别高开孔率条件下，Martin公式是否适用，将其开孔率的范围外延。图8中给出了Af=0.1时，无排气通道下的准数方程与Martin公式的比较。由图可见在高开孔率条件下，Martin公式计算值低于实验值，其差异也是随着ReD的增加越来越显著，最大可达30%左右。由此可见，在低开孔率时，Martin公式适用于排气条件较好的场合；在高开孔率时，应用Martin公式会低估换热系数。

3　结论

（1）采用实验方法，测量得到了多排密集圆孔冲击射流的换热系数，并整理为准数方程Prn（H/d）p（Xn/d）q的形式，式中C、m、n和p为常数，且m=0.69，n=0.482，p=-0.268，q=-0.273；该式的适用范围为：30 000≤ReD≤88 000，2≤Xn/d≤5，2≤H/d≤10，0.036≤Af≤0.227，定性温度为气体喷射出口温度Tg，定性尺寸喷嘴直径d。

（2）实验结果表明，雷诺数ReD对平均换热系数影响最为显著，其次是喷射高度H/d和喷嘴间距Xn/ d；平均努谢尔数随ReD数的0.69次幂的方式增长，随无量纲数Xn/d的-0.269次幂和无量纲数H/d的-0.273次幂的方式减小。设置排气通道，会显著地提高换热系数。

（3）与Martin公式相比，本文的准数方程使用于高开孔率、多排密集圆孔射流；本文的实验结果与Martin存在较大的差异，二者差别随着ReD的增加越来越显著。

（4）实验采用的喷嘴尺寸、喷气速度、喷嘴间距、排气方式等与工业产线上使用的喷嘴一致，实验结果具有实际意义和应用价值。

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Experimental Investigation of Multiply Intensive Circular Air Impingement Jets Heat Transfer

CHEN Xiaodan1，LIU Huafei2，LI Wei3
（1.Tube，Pipe and Bar Business Unit，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd，Shanghai 201900，China；2.Baosteel Research Institute，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd，Shanghai 201900，China；3.Tube，Pipe and Bar Business Unit，Precise Steel Tube Plant，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd，Shanghai 201900，China）

The air impingement jet heat transfer coefficient is an indispensable design parameter in a gas-jet cooling device.An experimental investigation on multiply intensive circular impingement heat transfer is presented.The effects of jet Reynolds numbers ReD，Prandtl number Pr，normalized nozzle pitches Xn/ d，and normalized standoff distance H/d on mean heat transfer coefficients are reported.It is found that jet Reynolds number with an exponent of 0.69，and normalized nozzle pitch with an exponent of-0.269 and normalized standoff distance with an exponent of-0.273 have a strong impact on mean Nusselt number NuD.Meanwhile，the exhaust passage will significantly enhance mean heat transfer coefficients.All experimental data have been correlated within 7%as functions of jet Reynolds number ReD，Prandtl number Pr and normalized Xn/d and H/d number with mean Nusselt number NuD.Compared with Martin’s correlation，the present experiment findings are suitable for the intensive gas impingement with high openness.

multiply circular jets；impingement jet cooling；convective heat transfer coefficients

TK124

A

1001-6988（2016）02-0019-05

2016-02-23

陈晓丹（1963—），男，高级工程师，主要从事热能热工研究工作.