带钢热镀锌数值模型

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第21卷第4期 2006年12月 安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报 Journal of Anhui University of Technology and Science Vol. 21. No. 4 Dec. ,2006 收稿日期:2006 - 07 - 03 作者简介:袁银梅(1977 ) , 女,河北邯郸人,讲师,硕士. 文章编号:1672 - 2477(2006)04 - 0027 - 04 带钢热镀锌数值模拟 袁银梅,李朝祥 (安徽工业大学 冶金与资源学院,安徽 马鞍山243002) 摘要:利用计算流体力学的方法研究气刀冲击射流.应用FLUENT软件,采用可实现k - 模型着重对气刀压 力场进行数值模拟.数值计算结果揭示了气流刮锌过程中带钢面上的压力分布趋势,并与实验数据进行了比 较,模拟结果与实验数据符合较好.这表明,用可实现k -模型来预测冲击射流是比较准确的.在此基础上, 研究了影响镀锌层厚度的几个因素,发现一些规律,为带钢热镀锌机组设备的进一步研究和优化设计提供了 参考和依据. 关 键 词:气刀;冲击射流;可实现k -模型;数值模拟;压力场 中图分类号:TG174 文献标识码:A 应用流体冲击学原理来控制带钢镀锌层厚度的方法,习惯上称为吹气法镀锌.这种方法采用的是一个 横贯整个带钢宽度的缝形喷嘴,它喷出连续的象刀一样的扁平气流,把带钢表面多余的锌刮掉,“气刀” 即 由此而得名1.在吹气法热镀锌中,最初使用的气刀喷嘴缝隙是均匀的,但是获得的镀层厚度却是不均匀 的.文献1对这一现象作了实验研究,本文以此为基础来进行数值模拟. 气刀应用的是流体冲击技术,属于平面冲击射流.冲击射流是一种既有工程应用背景,又有理论研究 价值的独特的流动现象.除了在Re数很低的情况下,冲击射流一般是湍流性质的,其动力学结构非常复 杂,同时其几何边界条件又相对简单,所以冲击射流是检验湍流模型数值预测能力的一种理想算例. 在冲击射流的数值模拟中,多数研究者采用标准k -模型或RN Gk -模型 25 .而可实现 (Realizable)k -模型是最近才发展起来的,它是标准k -模型的一种改进形式,它的突出优点是能更加 准确地预测平面射流和圆射流的扩展速度分布 6 .本文将可实现k -模型应用于冲击射流的数值,通过 与实验结果的比较,来评价该模型对冲击射流场的预测能力,同时为热镀锌技术的改进提供更多的依据. 1 数值计算 1.1 控制方程 本文所研究的气刀控制镀锌层厚度问题属于三维稳态粘性流场,选用可实现k -模型.其控制方程 包括连续性方程、 动量方程、k方程、方程及湍流粘性系数表达式. 连续性方程: 5 5xi (ui) = Sm .(1) 动量守恒方程: 5 5xj (uiuj) = - 5P 5xi + 5 ij 5xj +gi+ Fi .(2) 湍动能k方程: dk dt 质点导数项 = 5 5xj + t k 5k 5xj 扩散项 + Gk+ Gb 产生项 - ( + YM) 耗散项 .(3) 湍动耗散率方程: 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. D Dt 质点导数项 = 5 5xj + t 5 5xj 扩散项 +C1S+ C1 k C3Gb 产生项 -C2 2 k +v 消失项 .(4) 湍流粘性系数表达式: t=C k2 .(5) 在(1)(5)式中, Sm是质量源强度(kg/ m3s) 7 ,ij, Gk, Gb等的计算参见文献6.近壁区的处理选 用非均衡壁面函数法. 1.2 物理模型 图1 均匀喷嘴缝隙的模型示意图 现以具有均匀喷嘴缝隙的模型(模型1)为例作简单介绍.参照 文献1 ,并结合生产实际情况,考虑到对称性,本文选取整个气刀流 场的1/4作为计算区域,并按比例进行放大和简化.如图1所示,在 图示坐标系中,圆管为压缩空气输入管道, z方向为8 m,半径为1 m.喷口通道处x =0.5 m,喷嘴缝隙尺寸为y =0.2 m, z =3 m.射 流从喷嘴喷出后的流动区域取一个长方体的形状, x =1.6 m, y =6 m, z =3 m.冲击面即为带钢表面. 1. 3 数值求解方法和边界条件 运用CFD软件FLUENT 5. 4进行数值模拟,选用分离式求解 器,三维稳态流场.离散化方式中,压力用二次插值,压力-速度的耦合采用SIMPLE算法,至于对流项的 离散,动量方程用QUICK格式,k、方程均用二阶迎风格式. 入口和出口均设置为压力边界,入口压力由宝钢冷轧厂实测得117. 845 kPa ,出口压力为一个标准大 气压.入口处的k和都采用默认值, k =1 m2/ s2,=1 m2/ s3.固壁为静止壁面,无滑移.初始化时压力和 各分量速度都设定为0. 2 计算结果与分析 2.1 均匀喷嘴缝隙气刀的计算结果 理论分析证明,在吹气法热镀锌中被刮掉的锌量和气流冲量大小成正比,气流冲量则与吹气压力和气 刀缝隙宽度有关,见下式 1 : I = Pb2 ,(6) 式中, I为气流的冲量, P为吹气压力,b为气刀缝隙宽度. 由此可见,当气刀为均匀缝隙时,b为常数,这时冲量I只和压力有关.气流是从两端进入气室的,在中 部相遇之后产生了较大的压力,使气流压力在横向分布不均匀,在钢板中部得到了较高的冲击压力读数. 图2 带钢横向压力分布曲线(实验结果) 文献1中通过平板模拟实验进一步证实了这种现象. 实验中采用一块钢板代替镀锌带钢,在钢板上钻孔,孔的中 心距相等,并呈直线横列.在钢板一面的孔中车一半深的螺 纹,用螺纹管和橡胶管将孔与一个压力计相连接,以便测量 冲击压力.用一个可调的钢架来支撑钢板.将从喷嘴中射出 来的冲击气流与钢板上横列的孔的中心相重合.在这个装置 上,用变换吹气压力、 喷嘴角度以及喷嘴与带钢距离的方法 进行了反复实验,最后获得了一致的结果,即在钢板中部均 得到了较高的冲击压力读数,见图2. 利用对称关系作出的整个带钢面上横向冲击压力分布曲线如图3所示.通过对比发现,模拟结果与理 论分析及实验结果相吻合,压力分布的趋势一致.横向气流压力呈抛物线状,由中部向两边减小. 冲击压力中间高,两边低,在带钢上获得的镀层厚度是不均匀的,而呈现中间薄两边厚的镀层断面,即 产生了厚边缺陷.这种中间薄两边厚的带钢对于带钢的卷取、 辊涂等镀后处理都十分有害,必须采取措施 82安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报 2006年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 横向冲击压力分布曲线(模拟结果)图4 带钢面上的压力分布趋势图(模型 2) 来避免这一点.因此又发展了新型的气刀结构,改进后的气刀喷嘴缝隙不均匀,喷口中间窄,两边宽. 2. 2 不均匀喷嘴缝隙气刀的计算结果 不均匀喷嘴缝隙的模型(模型 2) 的出口喷嘴缝隙是0. 20. 3 m(中间-边 ) , 与空气输入管道相连的 缝隙为0. 40. 5 m(中间-边 ) . 从计算后的压力分布图4可以看出,气刀的喷嘴缝隙不均匀,但冲击压力却比较均匀,气流冲量值基 本上均等.这样,由于冲量均等,刮掉的锌量相近,便能获得大致均匀的镀层截面. 2. 3 影响镀锌层厚度的因素 在吹气法热镀锌中,影响镀锌层厚度的因素有:喷嘴缝隙,进气管入口压力,喷嘴与带钢的距离等.喷 嘴缝隙的影响如前所述.现以模型1为基准,通过分别改变进气管入口压力,喷嘴与带钢的距离来研究它 们对镀锌层厚度的影响. (1)进气管入口压力的影响.图5是入口压力分别为110. 000 kPa ,117. 845 kPa ,120. 000 kPa时在带 钢上的冲击压力曲线.可以看出,入口压力越大,冲击压力也就越大,获得的镀层也就越薄.冲击压力基本 上随入口压力的增加而线性地增加,而且入口压力越大,冲击压力抛物线状越明显,即镀层的均匀性越差. (2)喷嘴与带钢距离的影响.对模型1稍加修改,把射流区域沿射流轴线方向(即x方向)扩大,改为x =3 m. 由图6可以看出,随着喷嘴与带钢距离的增加,气流压力降低,冲击压力减小,冲量减小,由此便引起 镀层的加厚.当距离从0. 2 m增加到1. 6 m时,冲击压力显著减小,而当再继续增加到3. 0 m时,冲击压 力变化则不大.这说明,当距离增加到一定程度时,对镀层厚度的影响减弱. 图5 不同入口压力下的冲击压力分布图图6 不同位置的冲击压力分布图 3 结 论 (1)对吹气法热镀锌进行了数值模拟,分别建立了均匀和不均匀喷嘴缝隙的气刀模型,主要分析了压 力的分布趋势.模拟结果与文献中的实验结果符合较好.这说明在射流领域中应用CFD是切实可行的,并 且用可实现k -模型来预测冲击射流也是比较成功的. (2)研究结果表明,均匀缝隙气刀的冲击压力是不均匀的,呈现中间高的抛物线形状,因而获得的镀层 断面是中间薄两边厚.而改进后的气刀喷嘴缝隙不均匀,但冲击压力几乎均等,从而便获得大致均匀的镀 层截面. (3)研究了进气管入口压力,喷嘴与带钢的距离对镀锌层厚度的影响.结果发现入口压力越大,镀锌层 越薄;喷嘴与带钢距离越远,镀锌层越厚. 92第4期袁银梅,等:带钢热镀锌数值模拟 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 参考文献: 1 李九岭.带钢连续热镀锌M. 2版.北京:冶金工业出版社,1987 :218238. 2 陈庆光,徐忠,张永建.湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展J .力学进展,2002 ,32(1) :92108. 3 徐惊雷,徐忠,肖敏,等.冲击射流的研究概述J .力学与实践,1999 ,21(6) :817. 4 陈庆光,徐忠,张永建.半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟J .应用力学学报,2003 ,20(2) :8891. 5 向安定,刘松龄.有射流冲击短扰流柱排内流场的数值模拟J .西北工业大学学报,2003 ,21(1) :9294. 6 Fluent Inc. FLUENT 5 Users Guide:Vol 2M. Lebanon Fluent Inc , 1998. 7 范维澄,万跃鹏.流