三維空氣吹掃噴嘴射流流場分析

， ， (.安徽工程大學 工程研發與訓練中心， 安徽 蕪湖 4000； .燕山大學 機械工程學院， 河北 秦皇島 066004)

引言

目前無論是從熱軋到冷軋還是產品深加工，噴嘴應用技術發揮的作用越來越明顯。噴嘴的質量、布置和維護對冷軋設備的使用壽命、冷軋產品的質量和冷軋機組的生產效率都有至關重要的影響[1-3]，因此對于噴嘴的研究也有其重要的意義。

目前，國內外學者對于噴嘴的相關研究還是很多的[4-6]，研究方向集中于流動特性研究、噪聲機理的研究和傳熱特性的研究，其中流動特性研究是最基本的，也是研究的最多的。

謝峻、何峻石2000年研究了二維軸對稱收縮噴嘴內部流道型線對自由射流流場的影響。2002年又重點研究了氣動噴嘴的亞聲速垂直沖擊射流和斜沖擊射流的流動特性[7-9]。鐘定清、王龍[10]利用CFD仿真軟件對突變圓柱型、漸變圓錐形和漸變拋物線型三種結構的吹掃噴嘴內部流場進行了有限元仿真。邱明勇[11,12]根據可壓縮的二維軸對稱的N-S方程，利用有限體積法研究了激光切割噴嘴結構對輔助氣體流場的影響分析。在國外，Hiroshi等[13]通過數值求解歐拉方程，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激波位置的影響。1993年，Cooper[14]等人利用雙通道熱線風速儀詳細測量了無封閉板沖擊射流的流場結構，并校核了四種湍流模型。1996年，Barata[15]用實驗方法和數值計算研究了在有低速橫流的情況下，單個以及一組噴嘴所組成的復雜的沖擊射流流場。1997年，Ajersch等[16]用流動顯示技術測量了有橫流時的沖擊射流的流動狀態。

就目前的文獻來看，國內外學者對噴嘴射流的研究方法主要有數值模擬和實驗兩種方法，研究內容的重點主要在于液體工質的層流，對于可壓縮氣體射流的研究又主要針對于二維軸對稱的情況，并且大部分的為穩態研究。本研究以平整機吹掃系統中三維空氣噴嘴為研究對象，借助流體仿真軟件，重點研究了噴嘴內部、外部及靠近鋼板處的流動狀態。

1 噴嘴吹掃仿真模型的建立

1.1 數學模型

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。流體的運動要受質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程[17-19]的支配。本研究采用RNGk-ε湍流模型，該模型考慮了流動中的旋轉流動情況，因此可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。

引入湍流模型之后，時均形式的連續性方程、時均形式的N-S方程和溫度T的時均輸運方程如下：

(1)

(2)

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

Gk+ρε

(4)

(5)

由于氣體與液體相比其壓縮系數很大，故高速氣流的研究一般都要考慮氣體的可壓縮性。工程上均可把真實氣體當作完全氣體來處理[19]，因此，這里使用氣體的狀態方程：

p=ρRT

(6)

式中，p為氣體壓強；ρ為氣體密度；T為氣體溫度。

1.2 計算域的確定和網格的劃分

所采用的噴嘴其內部結構如圖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寬1.1 mm狹槽。

圖1 噴嘴結構示意圖

為了有效地模擬噴嘴外部氣體流場，可在噴嘴出口處銜接一個相對較大的外部計算區域，如圖2所示。網格劃分采用分區域劃分網格的方法，網格均為非結構網格，如圖3所示。在對網格劃分的過程中，對網格無關性進行了驗證。

圖2 整體模型

圖3 網格劃分

具體劃分為：由于噴嘴內部形狀的不規則性，如圖4所示，對于噴嘴內部區域網格類型為TGrid，網格單元形式為Tet/Hybrid，以便于和相對體積較大的外流場很好地銜接，網格總數為35859。對于噴嘴外部形狀較為規則的長方體區域，網格類型為Cooper，網將沿著噴嘴出口狹縫長度方向上的面設為源面，如圖5所示，網格單元為Hex/Wedge，沿著出口狹縫寬度方向進行映射，外部區域劃分網格數為292485。

圖4 噴嘴內部及其銜接區域網格劃分示意圖

圖5 外流場區域網格劃分示意圖

1.3 邊界條件以及介質的設定

噴嘴入口設為壓力入口邊界條件，壓強設為4 bar，入口溫度設為310 K，穩態分析時，長方體的四個周面以及頂面設為壓力出口邊界，壓強為一個大氣壓，溫度設為310 K。為簡化分析，長方體的底面設為靜止壁面條件，溫度為318 K。進行氣液雙向流非穩態分析時，在鋼板表面設置一層厚度為1 mm的水膜，這時需要增加水的壓力出口邊界條件，壓強為一個大氣壓。

吹掃介質設為空氣。

2 吹掃流場的穩態分析

2.1 噴嘴內部及外部的氣體的流動狀態

如圖6所示，在噴嘴內部選取了6個有代表性的截面。

圖6 噴嘴內部6個截面示意圖

從圖7中可以看出，在距離噴嘴出口較遠的截面1和截面2，整個截面上氣體速度保持均勻并且關于噴嘴軸線對稱，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于噴嘴軸線對稱，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稱性被破壞，從圖中可以看出隨著截面積的減小，整個截面速度明顯增大，在截面6即槽縫與半球流道相交處，在沿著槽縫長度方向速度達到150 m/s，并且槽縫兩端的速度呈現出兩個峰值，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，速度會出現一個突變。

圖7 噴嘴內部6個截面上的速度云圖

對比圖8和圖9可知，氣體從噴嘴噴出后，隨著流程的增加，射流區域不斷擴大，氣體分布逐漸發展成為鐘形。但是氣流在Y=0剖面上噴射的氣簾角度遠大于其在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部氣體速度分布規律的影響，使得氣體外部流場在同一Z截面上，噴嘴軸線上的速度要小于其兩側的速度。

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分布

從圖10中可以看出，在噴嘴內部，氣體保持著入口時的壓強，并以相對較小的速度(小于50 m/s)流動。當氣體經過噴嘴的槽縫，伴隨著出口緊縮以及與外界大氣壓的相通，氣體速度會急劇增大而氣體壓力能會瞬間釋放，此時軸線方向上最高速度達到450 m/s，而壓強急劇減小，甚至出現負壓。當高壓氣體噴入到外界環境中時，隨著射程的增大，速度逐漸減小直至到零，而壓強基本保持表壓為零，即一個大氣壓。

圖10 噴嘴軸線上壓強和速度變化曲線圖

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，氣流速度的方向發生很大轉變。在軸線與鋼板的交點即沖擊點附近，其速度減小為零，在遠離沖擊的區域，速度轉變為基本與鋼板平行的方向。

圖11 Y=0截面上氣體流動矢量圖

圖12 X=0截面上氣體流動矢量圖

從圖13可以看出，靠近鋼板處，氣流速度降低為零并對鋼板形成一定的壓力，形成沖擊區。當氣流沖擊鋼板后，變為兩股幾乎與鋼板壁面平行的氣流，形成漫流區。漫流區內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吹離鋼板表面。

圖13 靠近鋼板處軸線上壓強和速度曲線圖

3 吹掃流場的非穩態分析

本研究采用自由表面模型即VOF模型，具體實現方法是在長方體的底面上設置一層均勻的厚度為1 mm 的水膜，通過觀察不同時刻水的體積分數，來衡量吹掃效果。

圖14為不同時刻距離鋼板3 mm的直線上壓強分布曲線。從曲線中可以看出，從0.01 s起，在關于沖擊點x=0對稱的x=±0.03 m區域形成高壓區，說明此種噴嘴在高度為150 mm時形成的打擊范圍為0.06 m。在x=±0.03 m處的壓強要稍大于沖擊點處的壓強，這和前面分析的穩態情況的速度場分布是對應的。對比不同時時刻的壓強分布，可以看出隨著時間的推移，壓強的值略有減小，但高壓區的范圍基本不變，從0.04 s開始，壓強分布達到穩定狀態。

圖14 距離鋼板3 mm的直線上壓強分布曲線

圖15為不同時刻距離鋼板3 mm的直線上速度v分量(即平行于板長方向上的速度分量)馬赫數分布曲線。從曲線中可以看出，速度v分量的分布和壓強的分布正好相反，沖擊點處速度v分量很小，而在漫流區，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的不穩定性，沖擊點兩側并未完全對稱。對比不同時時刻的速度v分量分布，可以看出隨著時間的推移，沖擊點附近速度逐漸增大，且從0.04 s開始，速度v分量的分布達到穩定狀態。

圖15 距離鋼板3 mm的直線上速度v分量分布曲線

提取不同時刻鋼板表面上水的體積分數分布云圖，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性的。氣流速度大的地方，其搬運能力強，水分最先被吹離鋼板表面。

在0.01 s，關于沖擊點對稱的一個橢圓環狀區域內的游離水分首先出現波動，但波動不大。從0.02 s開始，沖擊點兩側部分區域體積分數小于0.1，說明水分在鋼板上處于流動狀態。隨著時間的推移到0.06 s，鋼板四個邊角以及沿著鋼板寬度方向上過沖擊點的直線上的水分已經被吹掃干凈，但是沿著鋼板長度方向上過沖擊點出的直線上還有水分殘留。

4 結論

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

圖16 不同時刻鋼板表面水的體積分數分布云圖

(2) 噴嘴軸線上的速度和壓強變化規律說明了氣體由壓力能到動能再到壓力能的轉化關系；

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

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

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