雾化喷嘴结构对喷雾冷却性能影响的研究

丁 博，邹光明，王兴东，孔建益

1 引言

近年来，气雾冷却技术受到广泛关注，旨在生产高质量的镀锌钢板[1]。目前主要采用高压雾化水和气体的混合物直接喷射到带钢表面，以较快速率冷却带钢[2]。文献[3-5]为得到喷雾冷却的特性参数，采用了多点热电偶、红外成像装置和多普勒测速仪等实验装置，对喷嘴角度、喷雾高度、入口压力和喷雾角度对传热效果的影响进行了研究。文献[6-8]采用高速可视化技术，对液滴撞击加热壁面的动态特性和微爆特性进行了分析，同时对液滴撞击壁面的动态特性进行了比较深入的实验研究。文献利用实验对液膜厚度进行了测量，发现加热表面上形成的液膜厚度和流动速度对喷雾冷却的换热有极大影响。

目前在对钢板的喷雾冷却研究方面，一般采用实验研究的方法。在模拟分析方面，重点在研究雾化场、喷嘴内部流场分析和外界工况等方面，而喷嘴的结构对喷雾冷却效果也有着重要的影响，因此将以喷嘴结构作为参考指标，对钢板的冷却效果进行研究。在喷嘴结构参数方面，进气孔个数和进水孔直径作为气液两相喷嘴的主要进口结构，将直接影响着喷嘴的喷雾冷却效果，本研究采用扇形空气雾化喷嘴，以高温钢板为研究对象，建立了喷雾冷却的数学模型和物理模型。利用FLUENT软件对喷雾冷却系统进行仿真分析，重点分析喷雾冷却过程中钢板的表面温度分布特性。分析了喷嘴的进气孔个数和进水孔直径对喷雾冷却性能的影响，对喷雾冷却喷嘴的结构优化有一定的参考意义。

2 物理模型的建立

喷嘴的喷雾冷却物理模型，如图1所示。压缩空气和水分别通过进气孔和进水孔，在由空气帽与喷嘴主体所组成混合室内混合，产生剧烈的动量交换，从空气帽的喷口高速喷出，从喷嘴喷出的高速的空气和水的混合物，喷洒在钢板的表面，与待冷却钢板进行热交换，从而使钢板温度下降。

图1 喷雾冷却物理模型Fig.1 The Physical Model of Spray Cooling

在喷雾冷却的过程中，进气孔个数和进水孔直径作为气液两相喷嘴的主要进口结构参数，对喷雾冷却效果会带来直接影响，根据进气孔数目和进水孔直径的不同，设计了五种不同结构参数的喷嘴，其结构参数，如表1所示。

表1 喷嘴的结构参数Tab.1 Structure Parameters of the Nozzle

3 数学模型的建立

3.1 基本控制方程

采用FLUENT软件分析流动和换热问题时，流体应满足动量方程、连续性方程和能量方程，其通用的表达式如下：

式中：ρ—密度；u—速度矢量；φ—通用量，可以代替 u、v、w、T 等来求解变量，u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向的分量；T—温度；Γ—广义扩散系数；S—广义源项。

3.2 湍流模型

在FLUENT软件中提供的湍流模型中，大多采用双方程模型对两相流进行模拟计算，即κ-ε模型。FLUENT软件中给出了三种κ-ε模型，采用标准κ-ε模型进行运算，湍动能κ和湍流耗散率ε的方程如下：

上面两式中有：

3.3 组分运输模型

考虑到在喷雾过程中，流动处于湍流状态，气体和液体的混合和相互作用，因此系统除了添加湍流运输方程还应遵守组分守恒定律。在FLUENT中，利用第i种物质的对流扩散方程，预估每种物质的质量分数。组分守恒方程采用如下的通用形式：

式中：Ri—第i组分在反应过程中的净生成率；Yi—第i种物质的质量分数；Si—扩散相得到的净生产率；Ji—第i组分所生成的扩散通量。

3.4 传热模型

两相流气液混合物从喷嘴喷出冲击高温的钢板，喷嘴的结构对液滴的直径、速度和分布特性有直接的影响。液滴会在钢板表面形成一层液膜，钢板表面上会有对流换热、辐射换热等各种换热方式产生，由于钢板表面在喷雾冷却过程中冷却不均，会存在核沸腾、过渡沸腾和膜沸腾区域，构成较为复杂的换热模型。

4 雾化喷嘴结构对喷雾冷却性能影响

4.1 数值模拟及分析

利用FLUENT软件对喷嘴雾化场的液滴分布进行了模拟计算，设定的边界条件：气压为0.20MPa，水流量为0.014kg/s，进气孔直径为1.5mm，待冷却钢板的初始温度为623K，喷嘴出口距离待冷却钢板的垂直距离为80mm。以1号喷嘴为例，模拟得到了钢板壁面温度分布，选取第20s时的钢板壁面温度分布，如图2所示。钢板中心位置温度最低，为411K，钢板最外层的温度最高为525K，钢板中心温度下降了212K，平均冷却速度达到10.6K/s，由钢板中心位置沿Z轴正半轴和负半轴方向，钢板的温度越来越高。

图2 钢板温度分布图Fig.2 Temperature Distribution of the Steel Plate

4.2 进气孔个数对喷雾冷却的影响

对不同进气孔个数的1号喷嘴、2号喷嘴和3号喷嘴进行模拟，分析不同进气孔个数的喷嘴喷雾冷却过程中的冷却速度和冷却均匀度。

图3 钢板中心位置温度下降曲线Fig.3 Temperature Drop Curve of Steel Plate Center

选取第（13～17）s的钢板中心位置温度分布，得到了不同进气孔个数的喷嘴对喷雾冷却性能影响的曲线，如图3所示。第13s时，1号喷嘴的喷雾冷却钢板中心位置温度为478K，2号喷嘴的为477K，3号喷嘴的为476K；第17s时，1号喷嘴的喷雾冷却钢板中心位置温度为452K，2号喷嘴的为450K，3号喷嘴的为448K；1号喷嘴的最大温差为26K，2号喷嘴的最大温差为27K，3号喷嘴的最大温差为28K，分析温度下降曲线，结果表明：钢板中心位置的温度下降基本呈线性下降，进气孔个数越多，冷却速度越快。针对不同进气孔个数的喷嘴，在同一时刻对钢板中心位置的冷却均匀度进行对比，其对比曲线，如图4所示。图4（a）为第4s时，钢板不同位置的温度分布，1号喷嘴的冷却钢板中心位置温度为563K，距离中心10mm位置温度为567K，距离中心位置20mm位置温度为577K，最大温差为14K；2号喷嘴的冷却钢板中心位置温度为565K，距离中心10mm位置温度为568.5K，距离中心位置20mm位置温度为579.5K，最大温差为14.5K；3号喷嘴的冷却钢板中心位置温度为566.5K，距离中心10mm位置温度为569.5K，距离中心位置20mm位置温度为581.5K，最大温差为15K；图4（b）为第8s时，钢板不同位置的温度分布，1号喷嘴的冷却钢板最大温差为21.2K，2号喷嘴的最大温差为22K，3号喷嘴的最大温差为23K；结果表明，针对不同进气孔个数的喷嘴，在同一时刻对钢板中心位置的冷却均匀度进行对比，1号喷嘴的喷雾冷却均匀度较好。

图4 同一时刻，钢板不同位置的温度分布图Fig.4 The Temperature Distribution in Different Position of Steel Plate at the Same Time

通过对钢板的冷却速度以及冷却均匀度进行对比分析可知，同一时刻，钢板中心位置温差明显，表明中心位置的温度受喷嘴进气孔个数影响较明显，进气孔个数越多，钢板的冷却速度越快，冷却均匀度越好。

4.3 进水孔直径对冷却效果的影响

对不同进水孔直径的1号喷嘴、4号喷嘴、5号喷嘴的喷雾冷却进行模拟，分析不同进水孔直径的喷嘴在喷雾冷却过程中的冷却速度和冷却均匀度。

图5 钢板中心位置温度下降曲线Fig.5 Temperature Drop Curve of Steel Plate Center

选取第13秒到17秒的钢板中心位置温度，得到了不同进水孔直径喷嘴对喷雾冷却的影响曲线，如图5所示。第13s时，4号喷嘴的喷雾冷却钢板中心位置温度为471K，1号喷嘴的为476K，5号喷嘴的为480K；第17s时，4号喷嘴的喷雾冷却钢板中心位置温度为446K，1号喷嘴的为450K，5号喷嘴的为453K；4号喷嘴的最大温差为25K，1号喷嘴的最大温差为26K，5号喷嘴的最大温差为27K。分析温度下降曲线，结果表明：钢板中心位置的温度下降基本呈线性下降，进水孔直径越小，冷却速度越快。

针对不同进水孔直径的喷嘴，在同一时刻对钢板中心位置的冷却均匀度进行对比，其对比曲线，如图6所示；第4s时，钢板不同位置的温度分布，如图6（a）所示。4号喷嘴的冷却钢板的中心位置温度为561K，距离中心10mm位置温度为566K，距离中心位置20mm位置温度为575K，最大温差为14K；1号喷嘴的喷雾冷却钢板中心位置温度为563K，距离中心10mm位置温度为567K，距离中心位置20mm位置温度为577K，最大温差为14K；5号喷嘴的喷雾冷却钢板中心位置温度为566K，距离中心10mm位置温度为568K，距离中心位置20mm位置温度为578K，最大温差为12K；第8s时，钢板不同位置的温度分布，如图6（b）所示。4号喷嘴的冷却钢板最大温差为21.6K，1号喷嘴的为21.2K，5号喷嘴的为20K；结果表明，针对不同进水孔直径的喷嘴，在同一时刻对钢板中心位置的冷却均匀度进行对比，5号喷嘴的喷雾冷却均匀度较好。

图6 同一时刻，钢板不同位置的温度分布图Fig.6 The Temperature Distribution in Different Position of Steel Plate at the Same Time

同一时刻，钢板中心位置温差明显，表明中心位置的温度受进水孔直径影响较明显，随着喷雾冷却时间的推移，钢板不同位置的温差逐渐变小，进水孔直径越小，钢板的冷却速度越快，冷却均匀度越差。因此，在要求冷却速度较快的加工生产中，选择进气孔个数较多、进水孔直径较小的喷嘴可以加快喷雾冷却的速度。在要求钢板的冷却质量较高的加工生产中，选择进气孔个数较多、进水孔直径较大的喷嘴可以确保钢板冷却的均匀度，提升冷却钢板的质量。

5 结论

以钢板喷雾冷却的速度和温度均匀度等方面为研究对象，研究了同一工况下，喷嘴的进气孔个数和进水孔直径对喷雾冷却效果的影响，得出了以下结论：（1）在水流量、空气压力、进气孔和进水孔直径一定的情况下，进气孔个数越多，冷却速度越快，冷却均匀度越好。同一时刻，钢板中心位置温差明显，表明中心位置的温度受喷嘴进气孔个数影响较明显。（2）在水流量、空气压力和进气孔直径一定得情况下，进水孔直径越小，冷却速度越快，钢板冷却的均匀度越差。同一时刻，钢板中心位置温差明显，表明中心位置的温度受喷嘴进水孔直径影响较明显。（3）在喷雾冷却中，钢板的温度呈非线性分布，随着冷却时间的推移，钢板不同位置温度的非线性度减小。