气垫炉圆形喷嘴漂浮力及传热研究

气垫炉能生产出高表面质量、高性能、大规格、高合金化铝合金带材产品[1]。气垫炉内带材被气流射出气垫托着，然后被加热，所以炉内喷嘴喷射气流对加热带材起到气垫支撑和加热的作用。气垫炉具有产品不与炉内任何构件接触，表面无划伤，保证质量，加热温度均匀，晶粒细化等特点[2]。目前气垫炉都是EBNER、OTTO JUNKER等国外公司垄断，国内一直处于空白阶段。国内对于气垫炉的理论研究只有陈文修等进行过研究。气垫炉内喷嘴是气垫炉的核心部分，气垫炉内喷嘴对带材提供漂浮所需要的漂浮力和加热的热量、圆孔形喷嘴扰动作用大，边界层薄，对流给热得到强化[3]。国内已有论文和资料中没有对气垫炉中圆孔型喷嘴在不同孔型参数下漂浮力和传热特性进行系统的仿真和研究，本文将对气垫炉内圆形喷嘴对气垫炉内传热和漂浮力进行模拟分析。

1 模型的建立

1.1 冲击射流控制方程

冲击射流采用不可压缩流体假设，根据流体力学基本方程式，得到平面定常黏性流体的质量连续方程为[4-6]：

动量方程（Navier-Stokes方程）为:

能量方程为:

式中：Vy为y方向速度；Vx为x方向速度；ρ为流体密度；c为比率；T为温度。

1.2 有限元模型的建立

气垫炉内喷射介质为空气，环境流体空气，喷射空气为不可压缩，其他物性参数随温度变化，冲击表面为光滑的铝带平面，喷嘴流出的射流流速均匀。圆形射流的主要几何参数有喷嘴直径、射流速度、流体温度等。

本文利用Fluent软件，通过不可压缩流体流动的基本原理和流热固耦合有限元的数值模拟，选用k-ε紊流模型[7]，为了提高计算精度选择Enhanced Wall Treatment对壁面的换热系数进行求解，考虑流体特性（黏性系数、导热系数和比热容随温度的变化）。圆形喷嘴工作示意图见图1。

1.3 边界条件和初始条件

（1） 壁面（AF，ED） :铝带区域为无滑移壁面，各壁面速度为0，初始温度为铝带温度;

（2）流体出口平面（AB，CD）:出口边界施加相对法向压力梯度为零;

（3）铝带（BC）:初始温度已知;

（4）圆孔喷嘴（FE）:气温为空气温度，入口速度或者质量分数边界在初始化时候设置；

（5）环境条件:重力加速度 g=-9.81 m/s2，大气压力 P=1.013×105Pa。

射流离开喷嘴表面后，由于与周围静止介质间的动量交换，射流的直径有所扩大。

2 数值模拟与结果的分析

气垫炉内喷嘴有漂浮以及传热的作用。对喷嘴的加热以及漂浮力作用进行仿真。

2.1 射流速度对换热系数以及漂浮力的影响

喷嘴距离铝带的距离H=0.1 m，铝带温度T=20℃，喷嘴半径r=3 mm，空气温度w=580℃，射流速度v=10、12.5、15 m/s时，模拟喷嘴射流冲击铝带的换热情况，得出径向分布上传热系数的最高值，见图2。

在不同速度下，铝带漂浮力压力数值见图3。

由图2、图3中可以看出传热系数和漂浮力随着速度的增大而增大，传热系数的增加是由于喷嘴喷射速度的增加，增加铝带周围气体的流通，从而导致铝带表面传热系数的增加。气体喷射速度的增加相当于提高了冲击带材下表面动量，从而使铝带获得比较高的漂浮力。但是气体喷射的速度过快会造成炉内铝带漂浮的不稳定，造成铝带漂浮中的波动。如果波动特别剧烈的话，铝带会与设备撞击从而造成铝带表面的擦划伤[8]。

2.2 射流直径对传热系数的影响

在圆形孔喷射的时候有两种边界条件：速度入口边界条件和质量分数入口边界条件。对两种边界条件分别进行仿真。

当入口边界条件为速度入口边界条件时，喷嘴距离铝带的距离H=0.1 m，铝带温度T=20℃，空气温度w=580℃，射流速度v=15 m/s，喷嘴半径r=3、4、6 mm时，模拟喷嘴射流冲击铝带的换热以及漂浮力的情况，得出径向分布传热系数的最大值，见图4。

如果入口边界条件为质量分数，喷嘴距离铝带的距离H=0.1 m，铝带温度T=20℃，空气温度w=580℃，入口质量分数为：0.1 kg/s，压力700 Pa，喷嘴半径r=3、4、6 mm时，模拟喷嘴射流冲击铝带的换热情况，得出径向压力分布，见图5。

从图4和图5中可以看出当喷嘴入口为速度边界条件时，换热系数以及漂浮力随着圆孔直径的增加而增加。由于当速度一定的时候，随着圆孔直径的增加，相当于增加圆孔喷射的气量，从而导致换热系数的提高。当入口为质量分数的时候，则换热系数随着圆孔直径的增加而减小。这个主要是当入口为质量分数的时候，随着圆孔的增大，气体喷射速度减小，从而导致铝带表面换热系数的减小，同时气体喷射速度减小，气体冲击铝带动量也就减小，从而漂浮力随着喷嘴直径的增加而减小。所以当在入口气体质量一定的时候，随着喷嘴直径的减小，换热系数和漂浮都在增加，但是如果喷嘴直径太小，喷射的速度会很快，这样又会造成炉内带材漂浮不稳定的情况 喷嘴直径应当选择一个合适值

2.3 铝带表面温度对换热系数的影响

喷嘴距离铝带的高度H=0.1 m，空气温度w=580℃，喷嘴半径r=3 mm，射流速度v=12.5 m/s，铝带温度从20～600℃变化时，喷嘴射流冲击铝带的换热情况，取径向分布上传热系数的最大值，如图6所示。

2.4 喷射气体温度变化对漂浮力的影响

喷嘴距离铝带板的距离H=0.1 m，空气温度w=30℃，喷嘴半径r=3 mm，射流速度v=8 m/s，铝带温度从20～560℃变化时，喷嘴射流冲击铝带的漂浮压强的变化取径向分布上换热系数的最大值，如图7所示。

在相同体积下温度越高，气体的密度就越小，从而导致漂浮到铝带下表面气体的质量也就越小，从而使漂浮力减小。所以随着气体温度的升高需要对喷射的气体进行补偿，才能使铝带获得稳定的漂浮力。

3 结论

对圆形喷嘴在铝带射流换热情况做了有限元模拟，得到不同参数与边界条件下柱状流的换热特性以及喷嘴出口速度、出口直径、气温、铝带温度等参数对换热系数的影响。在铝带加热过程中，气体的喷射速度增加 会增加铝带表面的换热系数和漂浮力当圆孔喷射速度一定的情况下，漂浮力和换热系数随着喷嘴直径的增加而增加。当喷嘴入口为质量分数边界条件，随着喷嘴直径的增大，漂浮力和换热系数减小。如果圆形喷嘴直径太小，则气体喷射的速度会很大，这样也会造成铝带震荡甚至与炉内设备撞击，导致铝带表面擦划伤。设计圆孔喷嘴时需要考虑速度和喷嘴直径匹配。在保证铝带漂浮的稳定性情况下，获得较高的漂浮力和换热系数。温度越高相同气体所能提供的漂浮力越小，在高温情况下需要考虑气体气量的补偿，保证铝带获得稳定的漂浮力。根据射流空气对铝带作用力的分析以及加热过程换热区的分析，为铝带漂浮、加热工艺、保证铝带质量提供理论基础。从而为气垫炉喷嘴的设计提供了依据。