Vol.28 No.6 刘国勇等：缝隙冲击射流换热数值模拟 ·583· 控冷所用冲击射流时可采用K一e湍流模型，采用 数值模拟的结果主要有速度场、压力场、温度 二阶迎风流量法(SUPG)来离散对流项，耗散项 场及钢板表面的热流密度、表面换热系数等，着重 的处理采用分步积分，考虑流体特性（粘性系数、 于缝隙冲击射流对换热研究. 导热系数和比热容)随温度的变化，运用表格插值 在钢板的淬火过程中，射流冲击区的钢板表 设置流体的变物性，使得每次总体迭代后都可对 面换热辐射传热量很少，主要为流体与钢板对流 材料属性进行更新. 换热.由牛顿冷却公式=h(T。一T)S知道影 现有商业软件如ANSYS,FLUENT, 响对流换热因素很多，要测出相关流体温度T PHOENICS及CFX等都有标准k一e模型，本文 钢板温度T,流体作用面积S和流体物性等来 采用ANSYS中的CFD软件包标准k一e模型进 计算钢板表面换热系数（或热流密度），要测的变 行计算. 量大多是瞬态的，故用法较多的是根据钢板温度 2 数值模拟结果与分析 场来反算表面换热系数.通过数值模拟得出的换 热系数用在钢板温度场计算中，如果和实测温度 考虑到工程中实际情况，数值模拟的边界条 相符，就可以认为所得表面换热系数是准确的. 件与初始条件涵盖了实际钢板淬火应用范围，具 图4(a)和(b)分别是射流速度V=38.6及40.8 体范围如下：喷嘴高度H=20~50mm;射流速度 ms1,辊速为7和3mmin-l在线实测钢板心部 =14~52ms1:射流角度a=20~90°：缝隙宽 温度与模拟心部温度变化曲线，两条温降曲线很 度W=1~5mm:钢板温度T,=100~1100℃ 好地吻合，由此可以看出通过模拟方法得出的换 射流出口温度T=0~80℃. 热系数是准确的、可靠的. 1000r(a 900 900k(6, 一一实测值 800 800 -■一实测价 ,◆模拟们 700 700 ,。·摸拟竹 600 600H 500 赋 400 400F 300 300 200 200 100 100 0102030405060708090100 0102030405060708090100 时制s 时间s 图4实测与模拟温度曲线.(a)射流速度为V=386m°s,辊速为7m~min'；(b)射流速度为V=40.8m's1,辊速为3m min1 Fig.4 Temperature curves of measured and simulated results (a)impinging jet speed V=38.6m"s roll speed 7 m"min;(b)im- pinging jet speed 40.8ms roll speed 3m"min- 2.1高度对换热影响 及热流密度9沿射流下游x变化曲线分别如图7 (1)上喷高度对换热影响.当α=20°，V= 及图8.惟一与上喷不同的是射流从钢板下面向 28ms1,W=2mm,Tp=900℃T1=20℃ 上冲击钢板.几何中心点0与有限元原点仍重合 H=20,30,40,50mm时，钢板表面换热系数h (可参考图1). 及热流密度g沿射流下游x变化曲线分别如图5 由图7及图8可以看出，随着射流高度的增 及图6. 加，表面换热系数h及热流密度g有微量减小. 由图5及图6可以看出，随着射流高度的增 这是由于重力的作用使得射流在y方向分量v 加，表面换热系数h及热流密度g有微量增加. 减小，流体的紊流度减弱，使得表面换热系数及热 这是由于重力的作用使得射流在y方向分量ⅴ 流密度减小. 增大，流体的紊流度加大，使得表面换热系数及热 由上喷及下喷高度对对流换热的影响表明， 流密度增加 在压力较高，且喷嘴距冲击表面较近情况下，重力 (2)下喷高度对换热影响.Q=20,V=28 对换热的影响很小.在实际应用中缝隙射流上喷 ms1,W=2mm,T.=900℃，Tr=20℃ 及下喷的形式是相同的，且重力对换热影响又较 H=20,30,40,50mm时，钢板表面换热系数h 小，所以在研究其他因素对射流换热的影响时，仅控冷所用冲击射流时可采用 k-ε湍流模型, 采用 二阶迎风流量法(SUPG)来离散对流项 , 耗散项 的处理采用分步积分 .考虑流体特性(粘性系数、 导热系数和比热容)随温度的变化 ,运用表格插值 设置流体的变物性 , 使得每次总体迭代后都可对 材料属性进行更新. 现 有 商 业 软 件 如 ANSYS , FLUEN T , PHOENICS 及 CFX 等都有标准 k -ε模型 ,本文 采用 ANSYS 中的 CFD 软件包标准 k -ε模型进 行计算. 2 数值模拟结果与分析 考虑到工程中实际情况, 数值模拟的边界条 件与初始条件涵盖了实际钢板淬火应用范围, 具 体范围如下 :喷嘴高度 H =20 ～ 50 mm ;射流速度 V =14 ～ 52 m·s -1 ;射流角度 α=20 ～ 90°;缝隙宽 度 W =1 ～ 5 mm ;钢板温度 Tp =100 ～ 1 100 ℃; 射流出口温度 Tf =0 ～ 80 ℃. 数值模拟的结果主要有速度场 、压力场 、温度 场及钢板表面的热流密度 、表面换热系数等 ,着重 于缝隙冲击射流对换热研究. 在钢板的淬火过程中, 射流冲击区的钢板表 面换热辐射传热量很少 ,主要为流体与钢板对流 换热 .由牛顿冷却公式 =h(Tp -T f)S 知道影 响对流换热因素很多 , 要测出相关流体温度 Tf , 钢板温度 Tp , 流体作用面积 S 和流体物性等来 计算钢板表面换热系数(或热流密度), 要测的变 量大多是瞬态的, 故用法较多的是根据钢板温度 场来反算表面换热系数.通过数值模拟得出的换 热系数用在钢板温度场计算中, 如果和实测温度 相符 , 就可以认为所得表面换热系数是准确的. 图 4(a)和(b)分别是射流速度 V =38.6 及 40.8 m·s -1 ,辊速为 7 和 3 m·min -1在线实测钢板心部 温度与模拟心部温度变化曲线, 两条温降曲线很 好地吻合, 由此可以看出通过模拟方法得出的换 热系数是准确的、可靠的 . 图4 实测与模拟温度曲线.(a)射流速度为 V =38.6 m·s -1 , 辊速为 7 m·min -1 ;(b)射流速度为 V =40.8 m·s -1 , 辊速为 3 m· min -1 Fig.4 Temperature curves of measured and simulated results:(a)impinging jet speed V =38.6 m·s -1 , roll speed 7 m·min -1 ;(b)im￾pinging jet speed V =40.8 m·s -1 , roll speed 3 m·min -1 2.1 高度对换热影响 (1)上喷高度对换热影响.当 α=20°, V = 28 m·s -1 , W =2 mm , Tp =900 ℃, Tf =20 ℃, H =20 , 30 , 40 , 50 mm 时,钢板表面换热系数 h 及热流密度q 沿射流下游 x 变化曲线分别如图 5 及图 6 . 由图 5 及图 6 可以看出 , 随着射流高度的增 加,表面换热系数 h 及热流密度 q 有微量增加. 这是由于重力的作用使得射流在 y 方向分量 v 增大 ,流体的紊流度加大 ,使得表面换热系数及热 流密度增加. (2)下喷高度对换热影响.α=20°, V =28 m·s -1 , W =2 mm , Tp =900 ℃, Tf =20 ℃, H =20 , 30 , 40 , 50 mm 时,钢板表面换热系数 h 及热流密度q 沿射流下游 x 变化曲线分别如图 7 及图 8 .惟一与上喷不同的是射流从钢板下面向 上冲击钢板 .几何中心点 o 与有限元原点仍重合 (可参考图 1). 由图 7 及图 8 可以看出 , 随着射流高度的增 加,表面换热系数 h 及热流密度 q 有微量减小. 这是由于重力的作用使得射流在 y 方向分量 v 减小 ,流体的紊流度减弱 ,使得表面换热系数及热 流密度减小. 由上喷及下喷高度对对流换热的影响表明, 在压力较高,且喷嘴距冲击表面较近情况下 ,重力 对换热的影响很小.在实际应用中缝隙射流上喷 及下喷的形式是相同的 ,且重力对换热影响又较 小,所以在研究其他因素对射流换热的影响时,仅 Vol.28 No.6 刘国勇等:缝隙冲击射流换热数值模拟 · 583 ·