双缝隙喷嘴射流冲击正弦形状带材过程压力系数的研究

梁波, 侯帅, 白梅娟, 刘建辉, 耿华, 刘继通

(1.西北工业大学 自动化学院, 陕西 西安 710072; 2.河北工程大学 信息与电气工程学院, 河北 邯郸 056038)

气垫炉广泛应用于高端铝合金、硅钢和高精度电子铜带的热处理和干燥过程，其具有生产效率高和产品表面质量好等优点[1-4]。带材表面压力与喷嘴出口动压的比值即压力系数，是气垫炉的一个重要参数[5]。为气垫炉正常运行提供参考依据。

鉴于压力系数的重要性，有学者研究了单缝隙喷嘴射流冲击带材的压力系数分布规律[6-8]，也有学者研究了双缝隙喷嘴射流冲击带材过程中的压力系数分布规律[9]。然而已有的关于双缝隙喷嘴射流冲击带材的研究，是针对喷嘴射流冲击水平形状带材过程开展的研究。然而带材在气垫炉内漂浮时，带材的实际形状通常为正弦形状，而不是水平形状[5]，因此研究双缝隙喷嘴射流冲击正弦形状带材过程的压力系数分布规律更符合实际情况，且目前尚未见到相关的研究工作。此外，本论文将正弦形状带材的幅度用正弦幅值A来表示，以往关于喷嘴射流冲击水平形状带材过程中压力系数的研究可以认为是喷嘴射流冲击正弦带材幅值A=0 mm的一种特殊情况，因此本论文的研究内容对于压力系数的研究更具有代表性和一般性。

1 基本知识

气垫炉在工作过程中，喷嘴喷射气体到带材上下表面，带材上下表面产生的压力差等于带材的重力时，带材悬浮在空中。双缝隙喷嘴是气垫炉常用的一种喷嘴结构。带材表面的压力与喷嘴出口处动压的比值，即压力系数的分布情况，该系数的具体表达式

(1)

式中,pc为带材下表面的压力,V0为喷嘴出口处的流体速度,ρ为流体密度。

对双缝隙喷嘴射流冲击正弦形状带材做如下假设:假设正弦形状的正弦幅值为A。水平形状带材为正弦形状带材在幅值A=0 mm的一种特殊情况。带材两端距离喷嘴上表面的间距为H,双缝隙喷嘴的缝隙宽度为D,2个缝隙的中心间距为L,带材的长度为W。本文以图1中带材的最左端为坐标原点,见图1中的O点。带材沿水平方向的位置用X来表示。

图1 双缝隙喷嘴射流冲击原理图

本文针对图1中的最低高度H、正弦幅值A、喷嘴间距L/D对压力系数的影响规律开展了相关研究工作。

2 模型验证

为了验证计算结果的正确性,本文基于已有的气垫炉实验平台对仿真结果进行实验验证。该实验装置的其他具体结构细节可参考文献[12],本文不再赘述。

当无量纲H/D=3,带材正弦幅值A=0 mm,流体的Re=48 194的情况下,双缝隙喷嘴射流冲击正弦形状带材过程的压力系数实测结果和模拟结果的对比图如图2所示。

图2 压力系数模拟与实验结果对比图

由于喷嘴射流过程中的流场分布情况沿双缝隙喷嘴的几何中心线对称分布,故本文只列出铝带几何中心线一侧的表面压力系数分布曲线,压力系数的模拟计算结果如下:从图2中可见本文的仿真结果能够和真实实值较为接近,本文所建立的模型能够对实验值进行准确预测。

3 实验结果分析

由于喷嘴射流过程中的流场分布情况沿双缝隙喷嘴的几何中心线对称分布,故本文只列出铝带几何中心线一侧的表面压力系数分布曲线,压力系数的模拟计算结果如下:

1) 雷诺数对压力系数的影响规律间距L/D=17.2,正弦幅值A=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm,雷诺数Re=12 048,24 097,36 146和48 194时。图3为高度H/D=1时压力系数的分布曲线。

图3 H/D=1时压力系数曲线

由图3所示的压力系数的模拟结果可以发现在不同高度H/D下,雷诺数Re从6 024增加到36 146,压力系数Cp以及主驻点与第二驻点的压力系数的差值变化并不明显。喷嘴的射流冲击效率并不明显受Re的影响。

2) 高度H/D对压力系数的影响规律

无量纲参数L/D=17.2,带材正弦幅值A=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm,无量纲参数H/D=1,2,3时,图4为雷诺数Re=48 194时系数的分布曲线。

图4 当Re=48 194时压力系数曲线

由图4可见压力系数Cp随着H/D的增大而减小,而双缝隙喷嘴驻点处的压力系数与非驻点处的压力系数的差值随着H/D的增大而增大。主驻点的位置随着H/D的增大而逐渐向x/D=0移动;压力系数Cp在x/D=6～8的位置近似为零,且随着H/D的增大,压力系数Cp近似为零的位置也逐渐向x/D=0的位置移动。这是由于随着喷嘴与铝带材之间的距离增加,喷嘴上2个缝隙喷射出的气流相互影响,导致主驻点的位置向喷嘴边缘方向移动。

3) 不同正弦幅值对压力系数的影响规律

无量纲参数L/D=17.2,无量纲参数H/D=1,2,3,带材的正弦幅值A=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm时,当雷诺数Re=48 194时压力系数的模拟结果如图5所示。

图5 Re为48 194时的Cp曲线

由图5所示的正弦幅值对压力系数的模拟结果可以发现在不同正弦幅值A下,压力系数的分布有如下规律:

随着正弦幅值A的增大,主驻点处的位置逐渐向x/D=0移动;压力系数Cp在x/D=6～8的位置近似为零,且随着正弦幅值A的增大,压力系数Cp近似为零的位置也逐渐向x/D=0的位置移动。这是由于随着正弦幅值A的增大,喷嘴与铝带材之间的空间增加,喷嘴的2个缝隙射出的流场相互影响,导致主驻点的位置向边缘方向移动。此外在无量纲参数H/D=1～3,雷诺数Re=6 024～36 146时,压力系数Cp随着正弦幅值A的增加而减小。该研究表明正弦幅值的增大会增强2个缝隙喷嘴之间的干扰作用,导致双缝隙喷嘴冲击点向喷嘴外侧移动。

4) 缝隙间距对压力系数的影响规律

当雷诺数Re=48 194,无量纲参数H/D=3,带材的正弦幅值A=0 mm,10 mm,无量纲参数L/D=15,13,11时,压力系数的模拟结果如图6所示。由图6所示的喷嘴间距对压力系数的模拟结果可以发现在不同的缝隙间距L/D下,压力系数的分布规律如下:

随着L/D的减小,主驻点的位置向喷嘴的中心线位置移动,而且第二驻点的数值也逐渐的增大,这是由于2个缝隙喷射出的流场相互作用,导致该区域的压力系数升高。

图6 当Re=48 194时不同情况的压力系数曲线

4 结 论

本文研究了双缝隙喷嘴射流冲击正弦形状带材过程中的压力系数分布情况。发现如下结论：

首先，雷诺数Re对喷嘴射流效率影响并不大，并且对Cp以及主驻点与第二驻点的压力系数差值影响并不明显；

其次，H/D的增大会导致喷嘴射流效率的降低，而双缝隙喷嘴驻点处的压力系数与非驻点处的压力系数差值随着H/D的增大而增大。

再次，随着正弦幅值A的增大，2个缝隙之间流场的相互作用增强，导致主驻点位置逐渐向x/D=0移动。

最后，正弦幅值A的增加会降低喷嘴的射流冲击效率；随着L/D的减小，主驻点位置向喷嘴的几何中心线移动。