D01:10.13374j.isml00103x2006.06.016 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2006 缝隙冲击射流换热数值模拟 刘国勇 李谋渭 王邦文张少军李生勇黄艳 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘要采用标准k一：模型对非淹没缝隙射流冲击区单相对流换热进行数值模拟.考虑冲击区 对流换热的因素有射流的速度、射流出口距冲击板的距离（高度）、喷嘴的宽度、射流出口速度方向 与冲击板之间的夹角、冲击板的温度及水温等.研究结果表明：射流速度对冲击区的换热影响最显 著，其次是水温及喷嘴的宽度.而射流出口速度方向与冲击板的夹角只影响局部换热系数的分布. 关键词缝隙：冲击射流：对流换热；一：模型：数值模拟 分类号TG155.3 由于冲击射流在冲击区具有较高的换热特 11数学模型的假设 性，被广泛应用在纺织品、造纸和木材等的干燥、 (1)缝隙射流为非淹没射流： 电子芯片的冷却、玻璃的钢化、控冷及淬火中钢板 (2)喷射介质为水，环境流体为静止的空气： 的冷却等.在这些应用中，采用圆柱射流形式较 (3)喷射介质水为不可压缩，其他物性（粘性 多，研究也较为系统和深入1，但缝隙射流的研 系数、导热系数和比热容)随温度变化： 究大多数局限在对气体的研究5可，而对缝隙液 (4)冲击平面为光滑的无限大钢板平面： 体射流换热的研究？9只限于影响换热的部分因 (5)从喷嘴流出的射流流速均匀. 素.由于在钢板淬火中，缝隙射流具有高换热特 12冲击射流控制方程1 性而被广泛采用，尤其在厚板淬火中应用很广，对 它的研究无论在理论上还是在实践上都具有重大 冲击射流用不可压缩流动假设，即- =十 V7=0,则根据流体力学基本方程组式，得到平 的意义 面定常粘性流体的质量连续方程为： 1 模型建立 +多0 (1) 缝隙射流的几何参数（图1）主要有喷嘴宽度 动量方程(Navier-Stokes方程)为： W,射流高度H(喷嘴距钢板的高度)及射流与钢 板的夹角α，在实际应用中，缝隙射流沿冲击板 d +1 33 的宽度方向分布是近似相同的，故采用二维模型 v 来模拟. (2) 能量方程为： 游 卜游 TT q哥+3+(m++0+)3) 图1缝隙射流冲击模型及计算区域 其中，山，v分别为x,y方向的速度：fx,f分别为 Fig.I Impinging model of slot jet and its computing zone x,y方向的体积力：P为流体的密度；：为动力粘 度：Y为运动粘度，Y=/0:a为导温系数a= k/Pcp:cp为比定压热容；W"为粘性功项；E为 收稿日期：2005-03-18修回日期：20050905 动能项：Q,为体积生热（对于不可压缩流体，此 基金项目：国家“九五”科技攻关项目(N。.9552803) 项为零)，Φ为粘性生热项. 作者简介：刘国勇(1969一)，男，博士研究生 由于湍流的流体状态表征为扰动、无序、紊缝隙冲击射流换热数值模拟 刘国勇 李谋渭 王邦文 张少军 李生勇 黄 艳 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 采用标准 k-ε模型对非淹没缝隙射流冲击区单相对流换热进行数值模拟.考虑冲击区 对流换热的因素有射流的速度、射流出口距冲击板的距离(高度)、喷嘴的宽度、射流出口速度方向 与冲击板之间的夹角、冲击板的温度及水温等.研究结果表明:射流速度对冲击区的换热影响最显 著, 其次是水温及喷嘴的宽度, 而射流出口速度方向与冲击板的夹角只影响局部换热系数的分布. 关键词 缝隙;冲击射流;对流换热;k-ε模型;数值模拟 分类号 TG 155.3 收稿日期:2005 03 18 修回日期:2005 09 05 基金项目:国家“九五”科技攻关项目(No .95-528 03) 作者简介:刘国勇(1969—), 男, 博士研究生 由于冲击射流在冲击区具有较高的换热特 性, 被广泛应用在纺织品、造纸和木材等的干燥、 电子芯片的冷却 、玻璃的钢化 、控冷及淬火中钢板 的冷却等.在这些应用中, 采用圆柱射流形式较 多,研究也较为系统和深入[ 1 4] ,但缝隙射流的研 究大多数局限在对气体的研究[ 5 6] , 而对缝隙液 体射流换热的研究 [ 7 9] 只限于影响换热的部分因 素.由于在钢板淬火中 ,缝隙射流具有高换热特 性而被广泛采用 ,尤其在厚板淬火中应用很广 ,对 它的研究无论在理论上还是在实践上都具有重大 的意义. 1 模型建立 缝隙射流的几何参数(图 1)主要有喷嘴宽度 W ,射流高度 H(喷嘴距钢板的高度)及射流与钢 板的夹角 α.在实际应用中 , 缝隙射流沿冲击板 的宽度方向分布是近似相同的, 故采用二维模型 来模拟. 图 1 缝隙射流冲击模型及计算区域 Fig.1 Impinging model of slot jet and its computing zone 1.1 数学模型的假设 (1)缝隙射流为非淹没射流; (2)喷射介质为水,环境流体为静止的空气; (3)喷射介质水为不可压缩 ,其他物性(粘性 系数 、导热系数和比热容)随温度变化; (4)冲击平面为光滑的无限大钢板平面 ; (5)从喷嘴流出的射流流速均匀. 1.2 冲击射流控制方程[ 10] 冲击射流用不可压缩流动假设 ,即 dρ d t = ρ t + V ρ=0 ,则根据流体力学基本方程组式 ,得到平 面定常粘性流体的质量连续方程为 : u x + v y =0 (1) 动量方程(Navier-Stokes 方程)为 : u t +u u x +v u y =f x - 1 ρ p x +γ 2 u x 2 + 2 u y 2 v t +u v x +v v y =f y - 1 ρ p y +γ 2 v x 2 + 2 v y 2 (2) 能量方程为: T t +u T x +v T y = a 2 T x 2 + 2 T y 2 + 1 ρcp (W v +E k +Qv +Υ) (3) 其中 , u , v 分别为 x , y 方向的速度;f x , f y 分别为 x , y 方向的体积力;ρ为流体的密度;μ为动力粘 度;γ为运动粘度, γ=μ/ ρ;a 为导温系数, a = k /ρcp ;cp 为比定压热容 ;W v 为粘性功项 ;E k 为 动能项 ;Qv 为体积生热(对于不可压缩流体, 此 项为零), Υ为粘性生热项 . 由于湍流的流体状态表征为扰动、无序、紊 第 28 卷 第 6 期 2006 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.6 Jun.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.06.016