高压除鳞喷嘴内部流场数值模拟与仿真分析

　　在热轧带钢生产过程中,连铸坯表面由冶炼和加热产生的氧化铁皮是影响带钢表面质量的主要原因之一,它使带钢表面产生凹坑、麻点等多种表面缺陷,给生产厂家和用户带来严重的损失。为解决这一问题,目前国内外多采用高压水除鳞技术,其机理是:在高压水的喷射冲击作用下,氧化铁皮表面局部急冷产生剧烈收缩,使氧化铁皮裂纹扩大,并部分翘曲,从而使氧化铁皮从钢坯表面剥落,达到了清除氧化铁皮的目的[1]。在高压水除鳞系统中,喷嘴既是射流发生元件,也是系统中的关键部件,其功能不仅是把高压泵组提供的静压转换为水的动能,而且要保证射流具有良好的流动特性和动力性能。因此研究和优化喷嘴的几何结构,建立喷嘴结构参数和动力性能之间的关系,对提高系统除鳞效果有重要意义。

　　1　喷嘴结构

　　本课题研究的高压除鳞喷嘴工作特点是:从集流管中流出的紊流高压水进入喷嘴的整流体后,喷出层流状态的高压水,其磨损阻力小、流速快、打击力大、形成一种狭长而整齐的条形带,故而对钢坯打击力更集中、更均匀,能在同等压力下增加除鳞效果,或在更低的压力下达到同样的除鳞效果。喷嘴结构如图1所示。

　　2　仿真模型的建立

　　2.1　物理模型及参数

　　图2为喷嘴内部结构示意图,其主要参数为入口收缩角α,喷嘴直径d和出口扩张角θ,这些参数的合理配置对喷嘴出口速度起着至关重要的作用,也直接影响射流的打击效果。本文主要分析参数α,d和θ对喷嘴内部流场的影响。

　　2.2　控制方程

　　由于有层流芯和整流罩的作用,喷嘴内部的流动状态为不可压缩稳态层流流动,故选用三维Navier-Stokes方程作为控制方程,并采用Laminar层流模型建立封闭控制方程组[2~6]。

　　(1)质量守恒方程:

　　式中:u,v,w———速度矢量在x,y和z方向的分量。

　　(2)动量守恒方程(Navier-Stokes方程)[6]:

　　式中:p———射流压力;ρ———密度;μ———动力黏度;S———动量守恒方程的广义源项。

　　2.3　仿真模型的建立

　　首先在Fluent前处理软件Gambit中建立喷嘴三维物理模型,并对其内部流场进行网格划分,网格单元采用Hex/Wedge,网型采用非结构网格(Cooper)进行划分,网格间距为0.2,网格模型如图3所示[7]。

　　2.4　边界条件和数值处理方法

　　整个内部流场的入口和出口均采用压力边界条件,入口压力为20 MPa,出口相对静压为零(即大气压);喷嘴内壁定义为wall(固壁)类型,采用无滑移边界条件;射流介质为水,常温下其密度为1 000 kg/m3,运动黏度为1.004×10-6m2/s。然后将该网格模型导入流体仿真软件Fluent进行仿真分析,采用有限体积法对喷嘴内部流场进行数值模拟,并选用Laminar层流模式和SIMPLE算法对控制方程进行数值求解[7]。在上述工况下,根据圆柱形流道喷嘴射流速度经验公式[1]: