霧化噴嘴結構對噴霧冷卻性能影響的研究

丁 博，鄒光明，王興東，孔建益

1 引言

近年來，氣霧冷卻技術受到廣泛關注，旨在生產高質量的鍍鋅鋼板[1]。目前主要采用高壓霧化水和氣體的混合物直接噴射到帶鋼表面，以較快速率冷卻帶鋼[2]。文獻[3-5]為得到噴霧冷卻的特性參數，采用了多點熱電偶、紅外成像裝置和多普勒測速儀等實驗裝置，對噴嘴角度、噴霧高度、入口壓力和噴霧角度對傳熱效果的影響進行了研究。文獻[6-8]采用高速可視化技術，對液滴撞擊加熱壁面的動態特性和微爆特性進行了分析，同時對液滴撞擊壁面的動態特性進行了比較深入的實驗研究。文獻利用實驗對液膜厚度進行了測量，發現加熱表面上形成的液膜厚度和流動速度對噴霧冷卻的換熱有極大影響。

目前在對鋼板的噴霧冷卻研究方面，一般采用實驗研究的方法。在模擬分析方面，重點在研究霧化場、噴嘴內部流場分析和外界工況等方面，而噴嘴的結構對噴霧冷卻效果也有著重要的影響，因此將以噴嘴結構作為參考指標，對鋼板的冷卻效果進行研究。在噴嘴結構參數方面，進氣孔個數和進水孔直徑作為氣液兩相噴嘴的主要進口結構，將直接影響著噴嘴的噴霧冷卻效果，本研究采用扇形空氣霧化噴嘴，以高溫鋼板為研究對象，建立了噴霧冷卻的數學模型和物理模型。利用FLUENT軟件對噴霧冷卻系統進行仿真分析，重點分析噴霧冷卻過程中鋼板的表面溫度分布特性。分析了噴嘴的進氣孔個數和進水孔直徑對噴霧冷卻性能的影響，對噴霧冷卻噴嘴的結構優化有一定的參考意義。

2 物理模型的建立

噴嘴的噴霧冷卻物理模型，如圖1所示。壓縮空氣和水分別通過進氣孔和進水孔，在由空氣帽與噴嘴主體所組成混合室內混合，產生劇烈的動量交換，從空氣帽的噴口高速噴出，從噴嘴噴出的高速的空氣和水的混合物，噴灑在鋼板的表面，與待冷卻鋼板進行熱交換，從而使鋼板溫度下降。

圖1 噴霧冷卻物理模型Fig.1 The Physical Model of Spray Cooling

在噴霧冷卻的過程中，進氣孔個數和進水孔直徑作為氣液兩相噴嘴的主要進口結構參數，對噴霧冷卻效果會帶來直接影響，根據進氣孔數目和進水孔直徑的不同，設計了五種不同結構參數的噴嘴，其結構參數，如表1所示。

表1 噴嘴的結構參數Tab.1 Structure Parameters of the Nozzle

3 數學模型的建立

3.1 基本控制方程

采用FLUENT軟件分析流動和換熱問題時，流體應滿足動量方程、連續性方程和能量方程，其通用的表達式如下：

式中：ρ—密度；u—速度矢量；φ—通用量，可以代替 u、v、w、T 等來求解變量，u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向的分量；T—溫度；?！獜V義擴散系數；S—廣義源項。

3.2 湍流模型

在FLUENT軟件中提供的湍流模型中，大多采用雙方程模型對兩相流進行模擬計算，即κ-ε模型。FLUENT軟件中給出了三種κ-ε模型，采用標準κ-ε模型進行運算，湍動能κ和湍流耗散率ε的方程如下：

上面兩式中有：

3.3 組分運輸模型

考慮到在噴霧過程中，流動處于湍流狀態，氣體和液體的混合和相互作用，因此系統除了添加湍流運輸方程還應遵守組分守恒定律。在FLUENT中，利用第i種物質的對流擴散方程，預估每種物質的質量分數。組分守恒方程采用如下的通用形式：

式中：Ri—第i組分在反應過程中的凈生成率；Yi—第i種物質的質量分數；Si—擴散相得到的凈生產率；Ji—第i組分所生成的擴散通量。

3.4 傳熱模型

兩相流氣液混合物從噴嘴噴出沖擊高溫的鋼板，噴嘴的結構對液滴的直徑、速度和分布特性有直接的影響。液滴會在鋼板表面形成一層液膜，鋼板表面上會有對流換熱、輻射換熱等各種換熱方式產生，由于鋼板表面在噴霧冷卻過程中冷卻不均，會存在核沸騰、過渡沸騰和膜沸騰區域，構成較為復雜的換熱模型。

4 霧化噴嘴結構對噴霧冷卻性能影響

4.1 數值模擬及分析

利用FLUENT軟件對噴嘴霧化場的液滴分布進行了模擬計算，設定的邊界條件：氣壓為0.20MPa，水流量為0.014kg/s，進氣孔直徑為1.5mm，待冷卻鋼板的初始溫度為623K，噴嘴出口距離待冷卻鋼板的垂直距離為80mm。以1號噴嘴為例，模擬得到了鋼板壁面溫度分布，選取第20s時的鋼板壁面溫度分布，如圖2所示。鋼板中心位置溫度最低，為411K，鋼板最外層的溫度最高為525K，鋼板中心溫度下降了212K，平均冷卻速度達到10.6K/s，由鋼板中心位置沿Z軸正半軸和負半軸方向，鋼板的溫度越來越高。

圖2 鋼板溫度分布圖Fig.2 Temperature Distribution of the Steel Plate

4.2 進氣孔個數對噴霧冷卻的影響

對不同進氣孔個數的1號噴嘴、2號噴嘴和3號噴嘴進行模擬，分析不同進氣孔個數的噴嘴噴霧冷卻過程中的冷卻速度和冷卻均勻度。

圖3 鋼板中心位置溫度下降曲線Fig.3 Temperature Drop Curve of Steel Plate Center

選取第（13～17）s的鋼板中心位置溫度分布，得到了不同進氣孔個數的噴嘴對噴霧冷卻性能影響的曲線，如圖3所示。第13s時，1號噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為478K，2號噴嘴的為477K，3號噴嘴的為476K；第17s時，1號噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為452K，2號噴嘴的為450K，3號噴嘴的為448K；1號噴嘴的最大溫差為26K，2號噴嘴的最大溫差為27K，3號噴嘴的最大溫差為28K，分析溫度下降曲線，結果表明：鋼板中心位置的溫度下降基本呈線性下降，進氣孔個數越多，冷卻速度越快。針對不同進氣孔個數的噴嘴，在同一時刻對鋼板中心位置的冷卻均勻度進行對比，其對比曲線，如圖4所示。圖4（a）為第4s時，鋼板不同位置的溫度分布，1號噴嘴的冷卻鋼板中心位置溫度為563K，距離中心10mm位置溫度為567K，距離中心位置20mm位置溫度為577K，最大溫差為14K；2號噴嘴的冷卻鋼板中心位置溫度為565K，距離中心10mm位置溫度為568.5K，距離中心位置20mm位置溫度為579.5K，最大溫差為14.5K；3號噴嘴的冷卻鋼板中心位置溫度為566.5K，距離中心10mm位置溫度為569.5K，距離中心位置20mm位置溫度為581.5K，最大溫差為15K；圖4（b）為第8s時，鋼板不同位置的溫度分布，1號噴嘴的冷卻鋼板最大溫差為21.2K，2號噴嘴的最大溫差為22K，3號噴嘴的最大溫差為23K；結果表明，針對不同進氣孔個數的噴嘴，在同一時刻對鋼板中心位置的冷卻均勻度進行對比，1號噴嘴的噴霧冷卻均勻度較好。

圖4 同一時刻，鋼板不同位置的溫度分布圖Fig.4 The Temperature Distribution in Different Position of Steel Plate at the Same Time

通過對鋼板的冷卻速度以及冷卻均勻度進行對比分析可知，同一時刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受噴嘴進氣孔個數影響較明顯，進氣孔個數越多，鋼板的冷卻速度越快，冷卻均勻度越好。

4.3 進水孔直徑對冷卻效果的影響

對不同進水孔直徑的1號噴嘴、4號噴嘴、5號噴嘴的噴霧冷卻進行模擬，分析不同進水孔直徑的噴嘴在噴霧冷卻過程中的冷卻速度和冷卻均勻度。

圖5 鋼板中心位置溫度下降曲線Fig.5 Temperature Drop Curve of Steel Plate Center

選取第13秒到17秒的鋼板中心位置溫度，得到了不同進水孔直徑噴嘴對噴霧冷卻的影響曲線，如圖5所示。第13s時，4號噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為471K，1號噴嘴的為476K，5號噴嘴的為480K；第17s時，4號噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為446K，1號噴嘴的為450K，5號噴嘴的為453K；4號噴嘴的最大溫差為25K，1號噴嘴的最大溫差為26K，5號噴嘴的最大溫差為27K。分析溫度下降曲線，結果表明：鋼板中心位置的溫度下降基本呈線性下降，進水孔直徑越小，冷卻速度越快。

針對不同進水孔直徑的噴嘴，在同一時刻對鋼板中心位置的冷卻均勻度進行對比，其對比曲線，如圖6所示；第4s時，鋼板不同位置的溫度分布，如圖6（a）所示。4號噴嘴的冷卻鋼板的中心位置溫度為561K，距離中心10mm位置溫度為566K，距離中心位置20mm位置溫度為575K，最大溫差為14K；1號噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為563K，距離中心10mm位置溫度為567K，距離中心位置20mm位置溫度為577K，最大溫差為14K；5號噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為566K，距離中心10mm位置溫度為568K，距離中心位置20mm位置溫度為578K，最大溫差為12K；第8s時，鋼板不同位置的溫度分布，如圖6（b）所示。4號噴嘴的冷卻鋼板最大溫差為21.6K，1號噴嘴的為21.2K，5號噴嘴的為20K；結果表明，針對不同進水孔直徑的噴嘴，在同一時刻對鋼板中心位置的冷卻均勻度進行對比，5號噴嘴的噴霧冷卻均勻度較好。

圖6 同一時刻，鋼板不同位置的溫度分布圖Fig.6 The Temperature Distribution in Different Position of Steel Plate at the Same Time

同一時刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受進水孔直徑影響較明顯，隨著噴霧冷卻時間的推移，鋼板不同位置的溫差逐漸變小，進水孔直徑越小，鋼板的冷卻速度越快，冷卻均勻度越差。因此，在要求冷卻速度較快的加工生產中，選擇進氣孔個數較多、進水孔直徑較小的噴嘴可以加快噴霧冷卻的速度。在要求鋼板的冷卻質量較高的加工生產中，選擇進氣孔個數較多、進水孔直徑較大的噴嘴可以確保鋼板冷卻的均勻度，提升冷卻鋼板的質量。

5 結論

以鋼板噴霧冷卻的速度和溫度均勻度等方面為研究對象，研究了同一工況下，噴嘴的進氣孔個數和進水孔直徑對噴霧冷卻效果的影響，得出了以下結論：（1）在水流量、空氣壓力、進氣孔和進水孔直徑一定的情況下，進氣孔個數越多，冷卻速度越快，冷卻均勻度越好。同一時刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受噴嘴進氣孔個數影響較明顯。（2）在水流量、空氣壓力和進氣孔直徑一定得情況下，進水孔直徑越小，冷卻速度越快，鋼板冷卻的均勻度越差。同一時刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受噴嘴進水孔直徑影響較明顯。（3）在噴霧冷卻中，鋼板的溫度呈非線性分布，隨著冷卻時間的推移，鋼板不同位置溫度的非線性度減小。