三孔仿形拉瓦爾噴嘴風冷淬火換熱特性分析*

李明利，楊 建，高明昕，徐祥宏

(遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

風冷淬火具有生產效率高、綠色無污染、對表面不敏感以及冷速易調等優點,目前已廣泛應用于鋼軌的熱處理過程[1]。在保證冷卻速度的前提下進一步提高鋼軌風冷淬火的均勻性一直是國內外的研究焦點之一。

為解決鋼軌風冷淬火的均勻性問題,Kang等[2,3]、周劍華等[4]和費俊杰等[5]分別嘗試從調整圓形噴管的噴風壓力、距離和溫度等方面來調控鋼軌風冷淬火的均勻性。但在實際淬火過程中,對于由多個圓形噴嘴流場干涉而產生的不均勻性問題,僅靠優化風冷工藝參數無法得到有效解決。盡管陳鋒等[6]和鄭體成[7]分別嘗試利用改進的仿形多孔陣列噴風頭、變孔徑多孔板式噴風頭和梅花狀圓孔噴風頭來提高鋼軌風冷淬火的均勻性,但以上改進裝置所產生的圓形射流陣列仍會形成一定的不均勻性[8]。因此,具有復雜橫斷面鋼軌風冷淬火的均勻性問題仍有待進一步解決。

為此,本文提出了一種新型的三孔仿形拉瓦爾噴嘴,并基于ANSYS Fluent軟件建立了參數化的三孔仿形拉瓦爾噴嘴風冷淬火有限體積模型,著重分析不同噴風壓力和開淬溫度對鋼軌風冷淬火換熱特性的影響規律。

1 數值建模

三孔仿形拉瓦爾噴嘴的結構如圖1所示,該噴嘴出口形狀仿照鋼軌軌頭型面曲線,并采用先收斂后擴張的拉瓦爾型腔設計,有機融合了拉瓦爾噴嘴的高冷卻速度和仿形噴嘴的淬火均勻性。

圖1 三孔仿形拉瓦爾噴嘴結構示意圖

通過提取噴嘴內部以及噴嘴與鋼軌之間的流體區域,并基于ANSYS Fluent軟件對噴風壓力和開淬溫度進行參數化,本文建立了考慮流熱耦合的參數化三孔仿形拉瓦爾噴嘴風冷淬火有限體積模型,如圖2所示。

圖2 鋼軌三孔仿形拉瓦爾噴嘴風冷淬火有限體積模型

經網格無關性分析,確定全局網格密度為0.3 mm,并在噴嘴壁面和鋼軌壁面處分別進行膨脹層加密處理。采用60 kg/m鋼軌軌頭型面作為風冷淬火表面,噴風高度為5 mm,入口空氣溫度為50 ℃。基于k-ωSST湍流模型描述風冷淬火射流沖擊中的流動行為,并引入能量方程以考慮溫度變化對流場的影響。同時,采用理想氣體模型描述空氣的可壓縮性,空氣密度ρ可表示為:

(1)

其中:poperate為操作壓力,缺省值為101 325 Pa;p和T分別為當地流體壓力和溫度;R和Mw分別為氣體常數和摩爾質量。

2 仿真結果分析

噴嘴噴風壓力pin設置為0.1 MPa～0.4 MPa,間隔0.5 MPa,鋼軌開淬溫度tw設置為600 ℃～900 ℃,間隔50 ℃,在此基礎上分析噴風壓力和開淬溫度對風冷淬火換熱特性的影響規律。

噴風壓力pin=0.3 MPa、開淬溫度tw=850 ℃條件下流體域速度云圖如圖3所示。以鋼軌軌頭表面型線作為分析位置,不同噴風壓力下鋼軌風冷淬火的壁面換熱系數分布如圖4所示,噴嘴出口滯止區壁面換熱系數隨噴風壓力的變化規律如圖5所示。

圖3 pin=0.3 MPa、tw=850 ℃下流體域速度云圖

圖4 不同噴風壓力下的壁面換熱系數分布

圖5 滯止區壁面換熱系數隨噴風壓力的變化規律

從圖3可以看出:三孔仿形拉瓦爾噴嘴出口速度的橫向分布整體均勻,空氣從噴嘴入口至出口處逐漸加速,最高速度可達530 m/s。從圖4可以看出:壁面換熱系數沿鋼軌軌頭橫向分布較為均勻,尤其是在鋼軌軌頭頂面位置;隨著噴風壓力的增加,壁面換熱系數的橫向分布均勻性逐漸下降。從圖5可以看出:隨著噴風壓力的增加,滯止區壁面換熱系數整體逐漸增加。結合圖4和圖5可知,噴風壓力為0.3 MPa時可較好地兼顧風冷淬火的換熱強度和均勻性。

不同開淬溫度下鋼軌風冷淬火的壁面換熱系數分布如圖6所示,噴嘴出口滯止區壁面換熱系數隨開淬溫度的變化規律如圖7所示。

圖6 不同開淬溫度下的壁面換熱系數分布

圖7 滯止區壁面換熱系數隨開淬溫度的變化規律

從圖6和圖7可以看出:鋼軌開淬溫度對壁面換熱系數橫向分布均勻性的影響相對較小,且隨著開淬溫度的增加,壁面換熱系數呈現線性下降的變化趨勢;鋼軌軌頭側面下部的壁面換熱系數數值相對較大、均勻性相對較差,但由于輪軌接觸位置多為鋼軌軌頭頂面和側面上部,該處的均勻性問題對鋼軌淬火影響可忽略不計。綜上所述,三孔仿形拉瓦爾噴嘴風冷淬火的橫向換熱均勻性相對較好,尤其是中間孔處,滿足60 kg/m鋼軌軌頭風冷淬火的橫向均勻性要求。

3 結論

(1) 通過噴風壓力和開淬溫度的參數化處理,建立了考慮流熱耦合的參數化三孔仿形拉瓦爾噴嘴風冷淬火有限體積模型。

(2) 隨著噴風壓力的增加,壁面換熱系數的橫向分布均勻性逐漸下降,滯止區壁面換熱系數整體逐漸增加,噴風壓力為0.3 MPa時可較好兼顧換熱強度和均勻性。

(3) 隨著開淬溫度的增加,壁面換熱系數逐漸線性下降,開淬溫度對壁面換熱系數橫向分布均勻性的影響相對較小。