三孔仿形拉瓦爾噴嘴風(fēng)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(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

風(fēng)冷淬火具有生產(chǎn)效率高、綠色無(wú)污染、對(duì)表面不敏感以及冷速易調(diào)等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于鋼軌的熱處理過程[1]。在保證冷卻速度的前提下進(jìn)一步提高鋼軌風(fēng)冷淬火的均勻性一直是國(guó)內(nèi)外的研究焦點(diǎn)之一。

為解決鋼軌風(fēng)冷淬火的均勻性問題,Kang等[2,3]、周劍華等[4]和費(fèi)俊杰等[5]分別嘗試從調(diào)整圓形噴管的噴風(fēng)壓力、距離和溫度等方面來(lái)調(diào)控鋼軌風(fēng)冷淬火的均勻性。但在實(shí)際淬火過程中,對(duì)于由多個(gè)圓形噴嘴流場(chǎng)干涉而產(chǎn)生的不均勻性問題,僅靠?jī)?yōu)化風(fēng)冷工藝參數(shù)無(wú)法得到有效解決。盡管陳鋒等[6]和鄭體成[7]分別嘗試?yán)酶倪M(jìn)的仿形多孔陣列噴風(fēng)頭、變孔徑多孔板式噴風(fēng)頭和梅花狀圓孔噴風(fēng)頭來(lái)提高鋼軌風(fēng)冷淬火的均勻性,但以上改進(jìn)裝置所產(chǎn)生的圓形射流陣列仍會(huì)形成一定的不均勻性[8]。因此,具有復(fù)雜橫斷面鋼軌風(fēng)冷淬火的均勻性問題仍有待進(jìn)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(shù)化的三孔仿形拉瓦爾噴嘴風(fēng)冷淬火有限體積模型,著重分析不同噴風(fēng)壓力和開淬溫度對(duì)鋼軌風(fēng)冷淬火換熱特性的影響規(guī)律。

1 數(shù)值建模

三孔仿形拉瓦爾噴嘴的結(jié)構(gòu)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(kuò)張的拉瓦爾型腔設(shè)計(jì),有機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖

通過提取噴嘴內(nèi)部以及噴嘴與鋼軌之間的流體區(qū)域,并基于ANSYS Fluent軟件對(duì)噴風(fēng)壓力和開淬溫度進(jìn)行參數(shù)化,本文建立了考慮流熱耦合的參數(shù)化三孔仿形拉瓦爾噴嘴風(fēng)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(fēng)冷淬火有限體積模型

經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析,確定全局網(wǎng)格密度為0.3 mm,并在噴嘴壁面和鋼軌壁面處分別進(jìn)行膨脹層加密處理。采用60 kg/m鋼軌軌頭型面作為風(fēng)冷淬火表面,噴風(fēng)高度為5 mm,入口空氣溫度為50 ℃。基于k-ωSST湍流模型描述風(fēng)冷淬火射流沖擊中的流動(dòng)行為,并引入能量方程以考慮溫度變化對(duì)流場(chǎng)的影響。同時(shí),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(dāng)?shù)亓黧w壓力和溫度;R和Mw分別為氣體常數(shù)和摩爾質(zhì)量。

2 仿真結(jié)果分析

噴嘴噴風(fēng)壓力pin設(shè)置為0.1 MPa～0.4 MPa,間隔0.5 MPa,鋼軌開淬溫度tw設(shè)置為600 ℃～900 ℃,間隔50 ℃,在此基礎(chǔ)上分析噴風(fēng)壓力和開淬溫度對(duì)風(fēng)冷淬火換熱特性的影響規(guī)律。

噴風(fēng)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(fēng)壓力下鋼軌風(fēng)冷淬火的壁面換熱系數(shù)分布如圖4所示,噴嘴出口滯止區(qū)壁面換熱系數(shù)隨噴風(fēng)壓力的變化規(guī)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(fēng)壓力下的壁面換熱系數(shù)分布

圖5 滯止區(qū)壁面換熱系數(shù)隨噴風(fēng)壓力的變化規(guī)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(dá)530 m/s。從圖4可以看出:壁面換熱系數(shù)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(fēng)壓力的增加,壁面換熱系數(shù)的橫向分布均勻性逐漸下降。從圖5可以看出:隨著噴風(fēng)壓力的增加,滯止區(qū)壁面換熱系數(shù)整體逐漸增加。結(jié)合圖4和圖5可知,噴風(fēng)壓力為0.3 MPa時(shí)可較好地兼顧風(fēng)冷淬火的換熱強(qiáng)度和均勻性。

不同開淬溫度下鋼軌風(fēng)冷淬火的壁面換熱系數(shù)分布如圖6所示,噴嘴出口滯止區(qū)壁面換熱系數(shù)隨開淬溫度的變化規(guī)律如圖7所示。

圖6 不同開淬溫度下的壁面換熱系數(shù)分布

圖7 滯止區(qū)壁面換熱系數(shù)隨開淬溫度的變化規(guī)律

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

3 結(jié)論

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

(2) 隨著噴風(fēng)壓力的增加,壁面換熱系數(shù)的橫向分布均勻性逐漸下降,滯止區(qū)壁面換熱系數(shù)整體逐漸增加,噴風(fēng)壓力為0.3 MPa時(shí)可較好兼顧換熱強(qiáng)度和均勻性。

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