丁 博，鄒光明，王興東，孔建益

1 引言

近年來，氣霧冷卻技術(shù)受到廣泛關(guān)注，旨在生產(chǎn)高質(zhì)量的鍍鋅鋼板[1]。目前主要采用高壓霧化水和氣體的混合物直接噴射到帶鋼表面，以較快速率冷卻帶鋼[2]。文獻(xiàn)[3-5]為得到噴霧冷卻的特性參數(shù)，采用了多點(diǎn)熱電偶、紅外成像裝置和多普勒測(cè)速儀等實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)噴嘴角度、噴霧高度、入口壓力和噴霧角度對(duì)傳熱效果的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6-8]采用高速可視化技術(shù)，對(duì)液滴撞擊加熱壁面的動(dòng)態(tài)特性和微爆特性進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)液滴撞擊壁面的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了比較深入的實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)利用實(shí)驗(yàn)對(duì)液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)加熱表面上形成的液膜厚度和流動(dòng)速度對(duì)噴霧冷卻的換熱有極大影響。

目前在對(duì)鋼板的噴霧冷卻研究方面，一般采用實(shí)驗(yàn)研究的方法。在模擬分析方面，重點(diǎn)在研究霧化場(chǎng)、噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)分析和外界工況等方面，而噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧冷卻效果也有著重要的影響，因此將以噴嘴結(jié)構(gòu)作為參考指標(biāo)，對(duì)鋼板的冷卻效果進(jìn)行研究。在噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)和進(jìn)水孔直徑作為氣液兩相噴嘴的主要進(jìn)口結(jié)構(gòu)，將直接影響著噴嘴的噴霧冷卻效果，本研究采用扇形空氣霧化噴嘴，以高溫鋼板為研究對(duì)象，建立了噴霧冷卻的數(shù)學(xué)模型和物理模型。利用FLUENT軟件對(duì)噴霧冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)分析噴霧冷卻過程中鋼板的表面溫度分布特性。分析了噴嘴的進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)和進(jìn)水孔直徑對(duì)噴霧冷卻性能的影響，對(duì)噴霧冷卻噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的參考意義。

2 物理模型的建立

噴嘴的噴霧冷卻物理模型，如圖1所示。壓縮空氣和水分別通過進(jìn)氣孔和進(jìn)水孔，在由空氣帽與噴嘴主體所組成混合室內(nèi)混合，產(chǎn)生劇烈的動(dòng)量交換，從空氣帽的噴口高速噴出，從噴嘴噴出的高速的空氣和水的混合物，噴灑在鋼板的表面，與待冷卻鋼板進(jìn)行熱交換，從而使鋼板溫度下降。

圖1 噴霧冷卻物理模型Fig.1 The Physical Model of Spray Cooling

在噴霧冷卻的過程中，進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)和進(jìn)水孔直徑作為氣液兩相噴嘴的主要進(jìn)口結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)噴霧冷卻效果會(huì)帶來直接影響，根據(jù)進(jìn)氣孔數(shù)目和進(jìn)水孔直徑的不同，設(shè)計(jì)了五種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴，其結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure Parameters of the Nozzle

3 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 基本控制方程

采用FLUENT軟件分析流動(dòng)和換熱問題時(shí)，流體應(yīng)滿足動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和能量方程，其通用的表達(dá)式如下：

式中：ρ—密度；u—速度矢量；φ—通用量，可以代替 u、v、w、T 等來求解變量，u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向的分量；T—溫度；?！獜V義擴(kuò)散系數(shù)；S—廣義源項(xiàng)。

3.2 湍流模型

在FLUENT軟件中提供的湍流模型中，大多采用雙方程模型對(duì)兩相流進(jìn)行模擬計(jì)算，即κ-ε模型。FLUENT軟件中給出了三種κ-ε模型，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行運(yùn)算，湍動(dòng)能κ和湍流耗散率ε的方程如下：

上面兩式中有：

3.3 組分運(yùn)輸模型

考慮到在噴霧過程中，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，氣體和液體的混合和相互作用，因此系統(tǒng)除了添加湍流運(yùn)輸方程還應(yīng)遵守組分守恒定律。在FLUENT中，利用第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程，預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。組分守恒方程采用如下的通用形式：

式中：Ri—第i組分在反應(yīng)過程中的凈生成率；Yi—第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Si—擴(kuò)散相得到的凈生產(chǎn)率；Ji—第i組分所生成的擴(kuò)散通量。

3.4 傳熱模型

兩相流氣液混合物從噴嘴噴出沖擊高溫的鋼板，噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)液滴的直徑、速度和分布特性有直接的影響。液滴會(huì)在鋼板表面形成一層液膜，鋼板表面上會(huì)有對(duì)流換熱、輻射換熱等各種換熱方式產(chǎn)生，由于鋼板表面在噴霧冷卻過程中冷卻不均，會(huì)存在核沸騰、過渡沸騰和膜沸騰區(qū)域，構(gòu)成較為復(fù)雜的換熱模型。

4 霧化噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧冷卻性能影響

4.1 數(shù)值模擬及分析

利用FLUENT軟件對(duì)噴嘴霧化場(chǎng)的液滴分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，設(shè)定的邊界條件：氣壓為0.20MPa，水流量為0.014kg/s，進(jìn)氣孔直徑為1.5mm，待冷卻鋼板的初始溫度為623K，噴嘴出口距離待冷卻鋼板的垂直距離為80mm。以1號(hào)噴嘴為例，模擬得到了鋼板壁面溫度分布，選取第20s時(shí)的鋼板壁面溫度分布，如圖2所示。鋼板中心位置溫度最低，為411K，鋼板最外層的溫度最高為525K，鋼板中心溫度下降了212K，平均冷卻速度達(dá)到10.6K/s，由鋼板中心位置沿Z軸正半軸和負(fù)半軸方向，鋼板的溫度越來越高。

圖2 鋼板溫度分布圖Fig.2 Temperature Distribution of the Steel Plate

4.2 進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)對(duì)噴霧冷卻的影響

對(duì)不同進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)的1號(hào)噴嘴、2號(hào)噴嘴和3號(hào)噴嘴進(jìn)行模擬，分析不同進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)的噴嘴噴霧冷卻過程中的冷卻速度和冷卻均勻度。

圖3 鋼板中心位置溫度下降曲線Fig.3 Temperature Drop Curve of Steel Plate Center

選取第（13～17）s的鋼板中心位置溫度分布，得到了不同進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)的噴嘴對(duì)噴霧冷卻性能影響的曲線，如圖3所示。第13s時(shí)，1號(hào)噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為478K，2號(hào)噴嘴的為477K，3號(hào)噴嘴的為476K；第17s時(shí)，1號(hào)噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為452K，2號(hào)噴嘴的為450K，3號(hào)噴嘴的為448K；1號(hào)噴嘴的最大溫差為26K，2號(hào)噴嘴的最大溫差為27K，3號(hào)噴嘴的最大溫差為28K，分析溫度下降曲線，結(jié)果表明：鋼板中心位置的溫度下降基本呈線性下降，進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)越多，冷卻速度越快。針對(duì)不同進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)的噴嘴，在同一時(shí)刻對(duì)鋼板中心位置的冷卻均勻度進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比曲線，如圖4所示。圖4（a）為第4s時(shí)，鋼板不同位置的溫度分布，1號(hào)噴嘴的冷卻鋼板中心位置溫度為563K，距離中心10mm位置溫度為567K，距離中心位置20mm位置溫度為577K，最大溫差為14K；2號(hào)噴嘴的冷卻鋼板中心位置溫度為565K，距離中心10mm位置溫度為568.5K，距離中心位置20mm位置溫度為579.5K，最大溫差為14.5K；3號(hào)噴嘴的冷卻鋼板中心位置溫度為566.5K，距離中心10mm位置溫度為569.5K，距離中心位置20mm位置溫度為581.5K，最大溫差為15K；圖4（b）為第8s時(shí)，鋼板不同位置的溫度分布，1號(hào)噴嘴的冷卻鋼板最大溫差為21.2K，2號(hào)噴嘴的最大溫差為22K，3號(hào)噴嘴的最大溫差為23K；結(jié)果表明，針對(duì)不同進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)的噴嘴，在同一時(shí)刻對(duì)鋼板中心位置的冷卻均勻度進(jìn)行對(duì)比，1號(hào)噴嘴的噴霧冷卻均勻度較好。

圖4 同一時(shí)刻，鋼板不同位置的溫度分布圖Fig.4 The Temperature Distribution in Different Position of Steel Plate at the Same Time

通過對(duì)鋼板的冷卻速度以及冷卻均勻度進(jìn)行對(duì)比分析可知，同一時(shí)刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受噴嘴進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)影響較明顯，進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)越多，鋼板的冷卻速度越快，冷卻均勻度越好。

4.3 進(jìn)水孔直徑對(duì)冷卻效果的影響

對(duì)不同進(jìn)水孔直徑的1號(hào)噴嘴、4號(hào)噴嘴、5號(hào)噴嘴的噴霧冷卻進(jìn)行模擬，分析不同進(jìn)水孔直徑的噴嘴在噴霧冷卻過程中的冷卻速度和冷卻均勻度。

圖5 鋼板中心位置溫度下降曲線Fig.5 Temperature Drop Curve of Steel Plate Center

選取第13秒到17秒的鋼板中心位置溫度，得到了不同進(jìn)水孔直徑噴嘴對(duì)噴霧冷卻的影響曲線，如圖5所示。第13s時(shí)，4號(hào)噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為471K，1號(hào)噴嘴的為476K，5號(hào)噴嘴的為480K；第17s時(shí)，4號(hào)噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為446K，1號(hào)噴嘴的為450K，5號(hào)噴嘴的為453K；4號(hào)噴嘴的最大溫差為25K，1號(hào)噴嘴的最大溫差為26K，5號(hào)噴嘴的最大溫差為27K。分析溫度下降曲線，結(jié)果表明：鋼板中心位置的溫度下降基本呈線性下降，進(jìn)水孔直徑越小，冷卻速度越快。

針對(duì)不同進(jìn)水孔直徑的噴嘴，在同一時(shí)刻對(duì)鋼板中心位置的冷卻均勻度進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比曲線，如圖6所示；第4s時(shí)，鋼板不同位置的溫度分布，如圖6（a）所示。4號(hào)噴嘴的冷卻鋼板的中心位置溫度為561K，距離中心10mm位置溫度為566K，距離中心位置20mm位置溫度為575K，最大溫差為14K；1號(hào)噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為563K，距離中心10mm位置溫度為567K，距離中心位置20mm位置溫度為577K，最大溫差為14K；5號(hào)噴嘴的噴霧冷卻鋼板中心位置溫度為566K，距離中心10mm位置溫度為568K，距離中心位置20mm位置溫度為578K，最大溫差為12K；第8s時(shí)，鋼板不同位置的溫度分布，如圖6（b）所示。4號(hào)噴嘴的冷卻鋼板最大溫差為21.6K，1號(hào)噴嘴的為21.2K，5號(hào)噴嘴的為20K；結(jié)果表明，針對(duì)不同進(jìn)水孔直徑的噴嘴，在同一時(shí)刻對(duì)鋼板中心位置的冷卻均勻度進(jìn)行對(duì)比，5號(hào)噴嘴的噴霧冷卻均勻度較好。

圖6 同一時(shí)刻，鋼板不同位置的溫度分布圖Fig.6 The Temperature Distribution in Different Position of Steel Plate at the Same Time

同一時(shí)刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受進(jìn)水孔直徑影響較明顯，隨著噴霧冷卻時(shí)間的推移，鋼板不同位置的溫差逐漸變小，進(jìn)水孔直徑越小，鋼板的冷卻速度越快，冷卻均勻度越差。因此，在要求冷卻速度較快的加工生產(chǎn)中，選擇進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)較多、進(jìn)水孔直徑較小的噴嘴可以加快噴霧冷卻的速度。在要求鋼板的冷卻質(zhì)量較高的加工生產(chǎn)中，選擇進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)較多、進(jìn)水孔直徑較大的噴嘴可以確保鋼板冷卻的均勻度，提升冷卻鋼板的質(zhì)量。

5 結(jié)論

以鋼板噴霧冷卻的速度和溫度均勻度等方面為研究對(duì)象，研究了同一工況下，噴嘴的進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)和進(jìn)水孔直徑對(duì)噴霧冷卻效果的影響，得出了以下結(jié)論：（1）在水流量、空氣壓力、進(jìn)氣孔和進(jìn)水孔直徑一定的情況下，進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)越多，冷卻速度越快，冷卻均勻度越好。同一時(shí)刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受噴嘴進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)影響較明顯。（2）在水流量、空氣壓力和進(jìn)氣孔直徑一定得情況下，進(jìn)水孔直徑越小，冷卻速度越快，鋼板冷卻的均勻度越差。同一時(shí)刻，鋼板中心位置溫差明顯，表明中心位置的溫度受噴嘴進(jìn)水孔直徑影響較明顯。（3）在噴霧冷卻中，鋼板的溫度呈非線性分布，隨著冷卻時(shí)間的推移，鋼板不同位置溫度的非線性度減小。