雙縫隙噴嘴射流沖擊正弦形狀帶材過程壓力系數(shù)的研究

梁波, 侯帥, 白梅娟, 劉建輝, 耿華, 劉繼通

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 河北 邯鄲 056038)

氣墊爐廣泛應(yīng)用于高端鋁合金、硅鋼和高精度電子銅帶的熱處理和干燥過程，其具有生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品表面質(zhì)量好等優(yōu)點[1-4]。帶材表面壓力與噴嘴出口動壓的比值即壓力系數(shù)，是氣墊爐的一個重要參數(shù)[5]。為氣墊爐正常運行提供參考依據(jù)。

鑒于壓力系數(shù)的重要性，有學(xué)者研究了單縫隙噴嘴射流沖擊帶材的壓力系數(shù)分布規(guī)律[6-8]，也有學(xué)者研究了雙縫隙噴嘴射流沖擊帶材過程中的壓力系數(shù)分布規(guī)律[9]。然而已有的關(guān)于雙縫隙噴嘴射流沖擊帶材的研究，是針對噴嘴射流沖擊水平形狀帶材過程開展的研究。然而帶材在氣墊爐內(nèi)漂浮時，帶材的實際形狀通常為正弦形狀，而不是水平形狀[5]，因此研究雙縫隙噴嘴射流沖擊正弦形狀帶材過程的壓力系數(shù)分布規(guī)律更符合實際情況，且目前尚未見到相關(guān)的研究工作。此外，本論文將正弦形狀帶材的幅度用正弦幅值A(chǔ)來表示，以往關(guān)于噴嘴射流沖擊水平形狀帶材過程中壓力系數(shù)的研究可以認為是噴嘴射流沖擊正弦?guī)Р姆礎(chǔ)=0 mm的一種特殊情況，因此本論文的研究內(nèi)容對于壓力系數(shù)的研究更具有代表性和一般性。

1 基本知識

氣墊爐在工作過程中，噴嘴噴射氣體到帶材上下表面，帶材上下表面產(chǎn)生的壓力差等于帶材的重力時，帶材懸浮在空中。雙縫隙噴嘴是氣墊爐常用的一種噴嘴結(jié)構(gòu)。帶材表面的壓力與噴嘴出口處動壓的比值，即壓力系數(shù)的分布情況，該系數(shù)的具體表達式

(1)

式中,pc為帶材下表面的壓力,V0為噴嘴出口處的流體速度,ρ為流體密度。

對雙縫隙噴嘴射流沖擊正弦形狀帶材做如下假設(shè):假設(shè)正弦形狀的正弦幅值為A。水平形狀帶材為正弦形狀帶材在幅值A(chǔ)=0 mm的一種特殊情況。帶材兩端距離噴嘴上表面的間距為H,雙縫隙噴嘴的縫隙寬度為D,2個縫隙的中心間距為L,帶材的長度為W。本文以圖1中帶材的最左端為坐標原點,見圖1中的O點。帶材沿水平方向的位置用X來表示。

圖1 雙縫隙噴嘴射流沖擊原理圖

本文針對圖1中的最低高度H、正弦幅值A(chǔ)、噴嘴間距L/D對壓力系數(shù)的影響規(guī)律開展了相關(guān)研究工作。

2 模型驗證

為了驗證計算結(jié)果的正確性,本文基于已有的氣墊爐實驗平臺對仿真結(jié)果進行實驗驗證。該實驗裝置的其他具體結(jié)構(gòu)細節(jié)可參考文獻[12],本文不再贅述。

當無量綱H/D=3,帶材正弦幅值A(chǔ)=0 mm,流體的Re=48 194的情況下,雙縫隙噴嘴射流沖擊正弦形狀帶材過程的壓力系數(shù)實測結(jié)果和模擬結(jié)果的對比圖如圖2所示。

圖2 壓力系數(shù)模擬與實驗結(jié)果對比圖

由于噴嘴射流過程中的流場分布情況沿雙縫隙噴嘴的幾何中心線對稱分布,故本文只列出鋁帶幾何中心線一側(cè)的表面壓力系數(shù)分布曲線,壓力系數(shù)的模擬計算結(jié)果如下:從圖2中可見本文的仿真結(jié)果能夠和真實實值較為接近,本文所建立的模型能夠?qū)嶒炛颠M行準確預(yù)測。

3 實驗結(jié)果分析

由于噴嘴射流過程中的流場分布情況沿雙縫隙噴嘴的幾何中心線對稱分布,故本文只列出鋁帶幾何中心線一側(cè)的表面壓力系數(shù)分布曲線,壓力系數(shù)的模擬計算結(jié)果如下:

1) 雷諾數(shù)對壓力系數(shù)的影響規(guī)律間距L/D=17.2,正弦幅值A(chǔ)=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm,雷諾數(shù)Re=12 048,24 097,36 146和48 194時。圖3為高度H/D=1時壓力系數(shù)的分布曲線。

圖3 H/D=1時壓力系數(shù)曲線

由圖3所示的壓力系數(shù)的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在不同高度H/D下,雷諾數(shù)Re從6 024增加到36 146,壓力系數(shù)Cp以及主駐點與第二駐點的壓力系數(shù)的差值變化并不明顯。噴嘴的射流沖擊效率并不明顯受Re的影響。

2) 高度H/D對壓力系數(shù)的影響規(guī)律

無量綱參數(shù)L/D=17.2,帶材正弦幅值A(chǔ)=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm,無量綱參數(shù)H/D=1,2,3時,圖4為雷諾數(shù)Re=48 194時系數(shù)的分布曲線。

圖4 當Re=48 194時壓力系數(shù)曲線

由圖4可見壓力系數(shù)Cp隨著H/D的增大而減小,而雙縫隙噴嘴駐點處的壓力系數(shù)與非駐點處的壓力系數(shù)的差值隨著H/D的增大而增大。主駐點的位置隨著H/D的增大而逐漸向x/D=0移動;壓力系數(shù)Cp在x/D=6～8的位置近似為零,且隨著H/D的增大,壓力系數(shù)Cp近似為零的位置也逐漸向x/D=0的位置移動。這是由于隨著噴嘴與鋁帶材之間的距離增加,噴嘴上2個縫隙噴射出的氣流相互影響,導(dǎo)致主駐點的位置向噴嘴邊緣方向移動。

3) 不同正弦幅值對壓力系數(shù)的影響規(guī)律

無量綱參數(shù)L/D=17.2,無量綱參數(shù)H/D=1,2,3,帶材的正弦幅值A(chǔ)=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm時,當雷諾數(shù)Re=48 194時壓力系數(shù)的模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 Re為48 194時的Cp曲線

由圖5所示的正弦幅值對壓力系數(shù)的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在不同正弦幅值A(chǔ)下,壓力系數(shù)的分布有如下規(guī)律:

隨著正弦幅值A(chǔ)的增大,主駐點處的位置逐漸向x/D=0移動;壓力系數(shù)Cp在x/D=6～8的位置近似為零,且隨著正弦幅值A(chǔ)的增大,壓力系數(shù)Cp近似為零的位置也逐漸向x/D=0的位置移動。這是由于隨著正弦幅值A(chǔ)的增大,噴嘴與鋁帶材之間的空間增加,噴嘴的2個縫隙射出的流場相互影響,導(dǎo)致主駐點的位置向邊緣方向移動。此外在無量綱參數(shù)H/D=1～3,雷諾數(shù)Re=6 024～36 146時,壓力系數(shù)Cp隨著正弦幅值A(chǔ)的增加而減小。該研究表明正弦幅值的增大會增強2個縫隙噴嘴之間的干擾作用,導(dǎo)致雙縫隙噴嘴沖擊點向噴嘴外側(cè)移動。

4) 縫隙間距對壓力系數(shù)的影響規(guī)律

當雷諾數(shù)Re=48 194,無量綱參數(shù)H/D=3,帶材的正弦幅值A(chǔ)=0 mm,10 mm,無量綱參數(shù)L/D=15,13,11時,壓力系數(shù)的模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6所示的噴嘴間距對壓力系數(shù)的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在不同的縫隙間距L/D下,壓力系數(shù)的分布規(guī)律如下:

隨著L/D的減小,主駐點的位置向噴嘴的中心線位置移動,而且第二駐點的數(shù)值也逐漸的增大,這是由于2個縫隙噴射出的流場相互作用,導(dǎo)致該區(qū)域的壓力系數(shù)升高。

圖6 當Re=48 194時不同情況的壓力系數(shù)曲線

4 結(jié) 論

本文研究了雙縫隙噴嘴射流沖擊正弦形狀帶材過程中的壓力系數(shù)分布情況。發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：

首先，雷諾數(shù)Re對噴嘴射流效率影響并不大，并且對Cp以及主駐點與第二駐點的壓力系數(shù)差值影響并不明顯；

其次，H/D的增大會導(dǎo)致噴嘴射流效率的降低，而雙縫隙噴嘴駐點處的壓力系數(shù)與非駐點處的壓力系數(shù)差值隨著H/D的增大而增大。

再次，隨著正弦幅值A(chǔ)的增大，2個縫隙之間流場的相互作用增強，導(dǎo)致主駐點位置逐漸向x/D=0移動。

最后，正弦幅值A(chǔ)的增加會降低噴嘴的射流沖擊效率；隨著L/D的減小，主駐點位置向噴嘴的幾何中心線移動。