三孔仿形拉瓦尔喷嘴风冷淬火换热特性分析*

2024-01-03李明利高明昕徐祥宏

机械工程与自动化 2023年6期

李明利，杨建，高明昕，徐祥宏

(辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山 114051)

0 引言

风冷淬火具有生产效率高、绿色无污染、对表面不敏感以及冷速易调等优点,目前已广泛应用于钢轨的热处理过程[1]。在保证冷却速度的前提下进一步提高钢轨风冷淬火的均匀性一直是国内外的研究焦点之一。

为解决钢轨风冷淬火的均匀性问题,Kang等[2,3]、周剑华等[4]和费俊杰等[5]分别尝试从调整圆形喷管的喷风压力、距离和温度等方面来调控钢轨风冷淬火的均匀性。但在实际淬火过程中,对于由多个圆形喷嘴流场干涉而产生的不均匀性问题,仅靠优化风冷工艺参数无法得到有效解决。尽管陈锋等[6]和郑体成[7]分别尝试利用改进的仿形多孔阵列喷风头、变孔径多孔板式喷风头和梅花状圆孔喷风头来提高钢轨风冷淬火的均匀性,但以上改进装置所产生的圆形射流阵列仍会形成一定的不均匀性[8]。因此,具有复杂横断面钢轨风冷淬火的均匀性问题仍有待进一步解决。

为此,本文提出了一种新型的三孔仿形拉瓦尔喷嘴,并基于ANSYS Fluent软件建立了参数化的三孔仿形拉瓦尔喷嘴风冷淬火有限体积模型,着重分析不同喷风压力和开淬温度对钢轨风冷淬火换热特性的影响规律。

1 数值建模

三孔仿形拉瓦尔喷嘴的结构如图1所示,该喷嘴出口形状仿照钢轨轨头型面曲线,并采用先收敛后扩张的拉瓦尔型腔设计,有机融合了拉瓦尔喷嘴的高冷却速度和仿形喷嘴的淬火均匀性。

图1 三孔仿形拉瓦尔喷嘴结构示意图

通过提取喷嘴内部以及喷嘴与钢轨之间的流体区域,并基于ANSYS Fluent软件对喷风压力和开淬温度进行参数化,本文建立了考虑流热耦合的参数化三孔仿形拉瓦尔喷嘴风冷淬火有限体积模型,如图2所示。

图2 钢轨三孔仿形拉瓦尔喷嘴风冷淬火有限体积模型

经网格无关性分析,确定全局网格密度为0.3 mm,并在喷嘴壁面和钢轨壁面处分别进行膨胀层加密处理。采用60 kg/m钢轨轨头型面作为风冷淬火表面,喷风高度为5 mm,入口空气温度为50 ℃。基于k-ωSST湍流模型描述风冷淬火射流冲击中的流动行为,并引入能量方程以考虑温度变化对流场的影响。同时,采用理想气体模型描述空气的可压缩性,空气密度ρ可表示为:

(1)

其中:poperate为操作压力,缺省值为101 325 Pa;p和T分别为当地流体压力和温度;R和Mw分别为气体常数和摩尔质量。

2 仿真结果分析

喷嘴喷风压力pin设置为0.1 MPa～0.4 MPa,间隔0.5 MPa,钢轨开淬温度tw设置为600 ℃～900 ℃,间隔50 ℃,在此基础上分析喷风压力和开淬温度对风冷淬火换热特性的影响规律。

喷风压力pin=0.3 MPa、开淬温度tw=850 ℃条件下流体域速度云图如图3所示。以钢轨轨头表面型线作为分析位置,不同喷风压力下钢轨风冷淬火的壁面换热系数分布如图4所示,喷嘴出口滞止区壁面换热系数随喷风压力的变化规律如图5所示。

图3 pin=0.3 MPa、tw=850 ℃下流体域速度云图

图4 不同喷风压力下的壁面换热系数分布

图5 滞止区壁面换热系数随喷风压力的变化规律

从图3可以看出:三孔仿形拉瓦尔喷嘴出口速度的横向分布整体均匀,空气从喷嘴入口至出口处逐渐加速,最高速度可达530 m/s。从图4可以看出:壁面换热系数沿钢轨轨头横向分布较为均匀,尤其是在钢轨轨头顶面位置;随着喷风压力的增加,壁面换热系数的横向分布均匀性逐渐下降。从图5可以看出:随着喷风压力的增加,滞止区壁面换热系数整体逐渐增加。结合图4和图5可知,喷风压力为0.3 MPa时可较好地兼顾风冷淬火的换热强度和均匀性。

不同开淬温度下钢轨风冷淬火的壁面换热系数分布如图6所示,喷嘴出口滞止区壁面换热系数随开淬温度的变化规律如图7所示。

图6 不同开淬温度下的壁面换热系数分布

图7 滞止区壁面换热系数随开淬温度的变化规律

从图6和图7可以看出:钢轨开淬温度对壁面换热系数横向分布均匀性的影响相对较小,且随着开淬温度的增加,壁面换热系数呈现线性下降的变化趋势;钢轨轨头侧面下部的壁面换热系数数值相对较大、均匀性相对较差,但由于轮轨接触位置多为钢轨轨头顶面和侧面上部,该处的均匀性问题对钢轨淬火影响可忽略不计。综上所述,三孔仿形拉瓦尔喷嘴风冷淬火的横向换热均匀性相对较好,尤其是中间孔处,满足60 kg/m钢轨轨头风冷淬火的横向均匀性要求。