雙縫隙噴嘴射流沖擊正弦形狀帶材過程壓力系數的研究

2019-07-03 06:46:16梁波侯帥白梅娟劉建輝耿華劉繼通

西北工業大學學報 2019年3期

梁波, 侯帥, 白梅娟, 劉建輝, 耿華, 劉繼通

(1.西北工業大學自動化學院, 陜西西安 710072; 2.河北工程大學信息與電氣工程學院, 河北邯鄲 056038)

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

鑒于壓力系數的重要性，有學者研究了單縫隙噴嘴射流沖擊帶材的壓力系數分布規律[6-8]，也有學者研究了雙縫隙噴嘴射流沖擊帶材過程中的壓力系數分布規律[9]。然而已有的關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分布規律更符合實際情況，且目前尚未見到相關的研究工作。此外，本論文將正弦形狀帶材的幅度用正弦幅值A來表示，以往關于噴嘴射流沖擊水平形狀帶材過程中壓力系數的研究可以認為是噴嘴射流沖擊正弦帶材幅值A=0 mm的一種特殊情況，因此本論文的研究內容對于壓力系數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構。帶材表面的壓力與噴嘴出口處動壓的比值，即壓力系數的分布情況，該系數的具體表達式

(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:假設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=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、噴嘴間距L/D對壓力系數的影響規律開展了相關研究工作。

2 模型驗證

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

當無量綱H/D=3,帶材正弦幅值A=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實測結果和模擬結果的對比圖如圖2所示。

圖2 壓力系數模擬與實驗結果對比圖

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的表面壓力系數分布曲線,壓力系數的模擬計算結果如下:從圖2中可見本文的仿真結果能夠和真實實值較為接近,本文所建立的模型能夠對實驗值進行準確預測。

3 實驗結果分析

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的表面壓力系數分布曲線,壓力系數的模擬計算結果如下:

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

圖3 H/D=1時壓力系數曲線

由圖3所示的壓力系數的模擬結果可以發現在不同高度H/D下,雷諾數Re從6 024增加到36 146,壓力系數Cp以及主駐點與第二駐點的壓力系數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對壓力系數的影響規律

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

圖4 當Re=48 194時壓力系數曲線

由圖4可見壓力系數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與非駐點處的壓力系數的差值隨著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的影響規律

無量綱參數L/D=17.2,無量綱參數H/D=1,2,3,帶材的正弦幅值A=0 mm,10 mm,20 mm和30 mm時,當雷諾數Re=48 194時壓力系數的模擬結果如圖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的模擬結果可以發現在不同正弦幅值A下,壓力系數的分布有如下規律:

隨著正弦幅值A的增大,主駐點處的位置逐漸向x/D=0移動;壓力系數Cp在x/D=6～8的位置近似為零,且隨著正弦幅值A的增大,壓力系數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,導致主駐點的位置向邊緣方向移動。此外在無量綱參數H/D=1～3,雷諾數Re=6 024～36 146時,壓力系數Cp隨著正弦幅值A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,導致雙縫隙噴嘴沖擊點向噴嘴外側移動。

4) 縫隙間距對壓力系數的影響規律

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

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,導致該區域的壓力系數升高。