陳曉丹，劉華飛，李　偉

（1.寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司 研究院，上海201900；3.寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部精密鋼管廠，上海201900）

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多排密集圓孔氣體沖擊射流換熱的實(shí)驗(yàn)研究

陳曉丹1，劉華飛2，李偉3

（1.寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司 研究院，上海201900；3.寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部精密鋼管廠，上海201900）

氣體沖擊射流的換熱系數(shù)是設(shè)計(jì)噴氣冷卻裝置必需的參數(shù)。本文采用實(shí)驗(yàn)方法研究了多排密集圓孔氣體沖擊射流的換熱過程，主要考察了射流雷諾數(shù)ReD，普朗特?cái)?shù)Pr，無量綱噴嘴間距Xn/d，無量綱噴射高度H/d和排氣方式對平均對流換熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：平均努謝爾數(shù)NuD隨ReD數(shù)的0.69次冪增長，隨無量綱數(shù)Xn/d的-0.269次冪和無量綱數(shù)H/d的-0.273次冪的方式減小，同時(shí)設(shè)置排氣通道會顯著提高換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成平均努謝爾數(shù)NuD與ReD數(shù)、Pr數(shù)、無量綱間距Xn/d、無量綱噴射高度H/d的準(zhǔn)則關(guān)系式，測量值與回歸結(jié)果偏差在7%的范圍內(nèi)。得到的準(zhǔn)則關(guān)系式與Martin公式比較，更適合于高開孔率的密集沖擊射流。

多排圓孔氣體射流；沖擊冷卻；對流換熱系數(shù)

氣體通過噴嘴噴射到固體表面進(jìn)行冷卻稱為氣體沖擊射流冷卻，又稱噴氣冷卻［1］。采用氣體沖擊射流進(jìn)行快速冷卻，實(shí)現(xiàn)組織強(qiáng)化，也是最有效最經(jīng)濟(jì)的熱處理工藝之一，為此它在板材、棒材等熱處理中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。準(zhǔn)確地獲得氣體沖擊射流的換熱系數(shù)是這一領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)［3］。

近年來，盡管氣體沖擊射流的數(shù)值模擬取得了長足的進(jìn)展，研究者采用低雷諾數(shù)k-ε模型［4］、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［5-6］、RNG k-ε模型［7］，甚至大渦模擬［8-10］來獲得流場和換熱系數(shù)的分布。但由于沖擊射流傳熱的復(fù)雜性，目前還未找到公認(rèn)的、合適的湍流模型［11-12］，通過數(shù)值方法準(zhǔn)確、定量地確定沖擊射流的換熱系數(shù)還尚待時(shí)日。

采用實(shí)驗(yàn)方法研究沖擊換熱系數(shù)，仍是沖擊射流換熱領(lǐng)域最主要的研究手段。國內(nèi)外對于圓孔型沖擊射流的試驗(yàn)研究比較多，如文獻(xiàn)［13］～［17］研究了單孔氣體沖擊射流的換熱系數(shù)，文獻(xiàn)［18］～［20］研究了多排圓孔噴嘴的間距、高度、排氣方式等對換熱的影響。上述針對多排圓孔射流的實(shí)驗(yàn)研究中，通常采用的噴嘴直徑通常較小，射流速度較低，射流雷諾數(shù)ReD主要集中在30 000以下。Martin［21］綜合了自己和其它研究者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出適用性更廣的準(zhǔn)數(shù)方程，使ReD范圍擴(kuò)展到100 000。Martin的準(zhǔn)數(shù)方程很全面地考慮各種影響因素，包含了噴嘴結(jié)構(gòu)與布置，噴氣速度與介質(zhì)種類等，但當(dāng)時(shí)密集型氣體沖擊冷卻還未得到充分應(yīng)用，開孔率Af（噴孔面積/總面積）的適用范圍比較低，0.004≤Af≤0.04。近來更多研究者的研究表明，當(dāng)開孔率較高時(shí)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Martin公式的差別高達(dá)30%左右［22-23］。

在工業(yè)界，熱處理工藝的發(fā)展對噴氣冷卻的冷卻速率和冷卻均勻性提出更高的要求。主要體現(xiàn)在：①為了提高冷卻能力，沖擊射流速度增大，射流雷諾數(shù)ReD進(jìn)一步增大，通常在ReD的范圍為30 000至100 000，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出早期很多研究結(jié)果的適用范圍；②為了實(shí)現(xiàn)均勻冷卻和提高冷卻速率，工業(yè)應(yīng)用時(shí)多采用密集型的多排沖擊射流；這要求在考慮排氣的同時(shí)，提高開孔率Af（噴孔面積/總面積）以獲得更高的氣體流量密度（單位面積的氣體流量），從而增大換熱系數(shù)；③采用密度小、導(dǎo)熱系數(shù)高的氣體，如H2等作為冷卻介質(zhì)，平均換熱系數(shù)可達(dá)到700～1 000 W/（m2·K）［24］?？梢姼逺eD數(shù)，高開孔率Af還需要進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)研究。

本文的主要工作是多排密集圓孔氣體沖擊換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以得到平均對流換熱系數(shù)。相比于已有的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)采用的工業(yè)中常用的噴嘴尺寸較大，噴氣速度高達(dá)100 m/s，射流雷諾數(shù)范圍擴(kuò)展到100 000；有效開孔率高，最大開孔率達(dá)到0.224。本文實(shí)驗(yàn)研究的條件與實(shí)際生產(chǎn)線的使用條件一致，因此本文的研究工作對工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置

1.1實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，速度為Ue，溫度為Tg的氣體射流1從多排密集圓孔噴嘴噴射到高溫薄銅板2上。高溫薄銅板通過黏貼在銅板背面的薄膜電阻加熱器供熱，氣體冷卻薄銅板后，廢氣從側(cè)面排出。當(dāng)銅板的表面溫度Ts達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在銅板與氣體換熱面上，滿足如下熱平衡：

由此對流換熱系數(shù)定義為

式中：qe為電加熱產(chǎn)生焦耳熱的熱流密度；qc和qr分別為對流和輻射換熱的熱流密度，W/（m2·K）；hc和hr分別為對流和輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Ts為銅板表面溫度，K；Tg為噴射氣體溫度，K。其中輻射換熱系數(shù)hr采用下式計(jì)算：

式中：σ為Boltzmann常數(shù)，且σ＝5.67×10-8；ε為黃銅板表面的黑度，取ε＝0.8；Ta為環(huán)境溫度，K。

圖1　測量原理示意圖

基于圓孔直徑，定義射流雷諾數(shù)為

平均努謝爾數(shù)為

式中：d為噴孔直徑，m；Ue為噴口處氣體速度，m/s；kg為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；vg為氣體的運(yùn)動黏性系數(shù)，m2/s。上述準(zhǔn)數(shù)中，定性溫度采用氣體噴口處的溫度值Tg。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

圖2為多排密集圓孔噴嘴氣體沖擊射流換熱的試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由供風(fēng)系統(tǒng)、測試段和測量系統(tǒng)組成。在供風(fēng)系統(tǒng)中，空氣由一臺額定風(fēng)量為3 200 m3/ min，風(fēng)壓為13 000 Pa的離心式風(fēng)機(jī)經(jīng)直徑400 mm風(fēng)管鼓入風(fēng)箱。實(shí)驗(yàn)中可以調(diào)節(jié)氣體流量，以保證噴射速度Ue在50～100 m/s的范圍內(nèi)。

圖2　測量原理示意圖

測試段主要由風(fēng)箱、多排圓孔噴嘴、沖擊板和高溫薄銅板組成。沖擊板的邊長為660 mm，采用8 mm厚的碳鋼制作而成，用以模擬氣體射流沖擊后形成的流場；高溫薄銅板鑲嵌在沖擊板的中央，厚度2.0 mm，邊長250 mm。高溫薄銅板與沖擊板之間填充絕熱材料，以避免導(dǎo)熱。由于銅板厚度小，導(dǎo)熱系數(shù)高，可以忽略其厚度方向的導(dǎo)熱熱流。此外采用薄銅板作為高溫面可保證溫度的均勻性，在加熱過程中不容易變形。薄膜電加熱片采用Omega公司的型號為SRFG-1010-P電加熱器，一面采用耐熱高溫膠粘結(jié)在銅板背面上，另一面有玻璃纖維絕熱，通過穩(wěn)壓電源供電，總功率為1 kW。

沖擊板安裝在可移動的支架上，通過滾珠絲杠使沖擊板與風(fēng)箱水平移動，調(diào)節(jié)框架上腰形孔的螺栓位置可改變沖擊板與噴口的間距H。

為了研究排氣方式的影響，實(shí)驗(yàn)用的噴嘴分為如圖3所示的兩種型式：一種是平板上直接開孔形成多孔板，孔徑d=15 mm，孔間距Xn的為30～75 mm （Xn/d=2～5），孔交錯(cuò)布置，開孔率變化范圍為0.036～0.227，噴嘴到冷卻面的高度H/d＝2～10；另一種是在噴嘴間考慮排氣通道，孔徑d=8 mm，孔間距Xn=50 mm，孔交錯(cuò)布置，噴嘴到冷卻面的高度H/d＝50～100 mm。兩種情況下的開孔率計(jì)算見圖4。

氣體流量通過安裝在風(fēng)管總管上的孔板流量計(jì)測量，風(fēng)管上裝有取壓孔測量風(fēng)壓，同時(shí)測量供氣溫度，用以修正流量測量。風(fēng)箱上設(shè)置測壓孔和熱電阻溫度計(jì)測量風(fēng)箱的壓力和風(fēng)溫。在銅板的背面通過電容焊焊接數(shù)只直徑0.3 mm的熱電偶絲測量銅板溫度，熱電偶型式為銅康銅，銅板溫度取熱電偶的平均值。排氣溫度采用水銀溫度計(jì)測量。

實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：調(diào)節(jié)腰形孔定位螺栓位置，使噴嘴到?jīng)_擊板間距H至試驗(yàn)設(shè)定值；通過滾珠絲杠使風(fēng)箱水平移動，使高溫薄銅板移到測試噴嘴的下方；調(diào)節(jié)總管風(fēng)量，使噴氣速度至要求值，對銅板進(jìn)行冷卻；接通電加熱器電源，銅板升溫；調(diào)節(jié)加熱器的供電電壓，使板的平均溫度值穩(wěn)定在100～150℃左右，當(dāng)溫度值定后，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)；重復(fù)進(jìn)行3～4次試驗(yàn)，直至測量的換熱系數(shù)值差別很小。

圖3　不同排氣方式下的噴嘴布置圖

圖4　不同噴嘴布置方式下的開孔率圖

誤差分析表明，在95%置信度下，對流換熱系數(shù)的測量誤差小于10%，誤差的主要來源是銅板溫度的測量，ReD的誤差小于8%。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1換熱系數(shù)的分布

圖5是不考慮排氣通道、銅板溫度為100℃條件下平均換熱系數(shù)值。圖中表示了不同ReD和Xn/d條件下，平均換熱系數(shù)隨噴射高度H/d的變化趨勢。由圖可以看出，隨H/d的增加換熱系數(shù)降低，與單孔射流不同的是，即使H/d小于5，換熱系數(shù)也呈顯著下降趨勢。這說明在不考慮排氣通道的條件下，即使H/d＜5，相鄰射流之間的干擾對平均換熱系數(shù)會有明顯的削弱作用。

根據(jù)開孔率定義，開孔率與噴嘴間距有關(guān)，隨噴嘴間距增加而減小。圖6表明了噴嘴間距對換熱系數(shù)的影響，當(dāng)Xn/d從由2增加5，開孔率下降，換熱系數(shù)要下降22%左右，但Xn/d趨近5時(shí)，換熱系數(shù)的減小幅度明顯趨緩，Xn/d從由4增加5，換熱系數(shù)僅下降5%左右。

值得注意的是，不同的ReD下，噴射高度H/d和噴嘴間距Xn/d對換熱系數(shù)的影響程度相近。

雷諾數(shù)ReD對換熱系數(shù)影響如圖7所示，實(shí)驗(yàn)條件為孔間距Xn/d=5，當(dāng)雷諾數(shù)ReD從30 000增加到88 000，換熱系數(shù)約增加了1倍。

圖5　無量綱噴射高度H/d對換熱系統(tǒng)的影響圖

圖6　無量綱噴嘴間距Xn/d對換熱系統(tǒng)的影響圖

圖7　雷諾數(shù)ReD對換熱系數(shù)的影響圖

2.2傳熱準(zhǔn)數(shù)方程

實(shí)驗(yàn)研究的目的是通過模型實(shí)驗(yàn)，確定努塞爾數(shù)NuD與雷諾數(shù)ReD、無量綱噴射高度H/d、無量綱噴嘴間距Xn/d或開孔率Af的關(guān)系。

根據(jù)相似理論，平均努謝爾數(shù)可整理成如下關(guān)系式：

式中：C、m、n和p為常數(shù)，Pr的影響直接參照單孔射流的結(jié)果［24］，n=0.482。對于不考慮排風(fēng)通道的噴嘴，上述常數(shù)為m=0.69，p=-0.268，q=-0.273，適用范圍為：30 000≤ReD≤88 000，2≤Xn/d≤5，2≤H/d≤10，0.036≤Af≤0.227，定性溫度為氣體噴射出口溫度Tg，定性尺寸d。圖8為準(zhǔn)數(shù)方程計(jì)算值和測量值的比較，二者間的最大偏差為7%，97%的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)落在±7%的偏差范圍內(nèi)。

圖8　準(zhǔn)數(shù)方程與Martin公式比較圖

Martin總結(jié)的準(zhǔn)數(shù)方程為：

公式的適用范圍為2 000≤ReD≤400 000，2≤H/d≤12，0.004≤Af≤0.04。通過比較可知，本文得出的準(zhǔn)數(shù)方程的雷諾數(shù)ReD的冪次與Martin公式接近，主要差異體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。首先比較低開孔率的情形，如果Af=0.036 5，Martin公式無需外延，如圖8所示，Martin公式計(jì)算的NuD數(shù)比沒有排風(fēng)通道條件的高，比排風(fēng)通暢條件的低，而且這種差異隨著ReD的增加，越來越顯著。這可以歸因于Martin采用的實(shí)驗(yàn)噴嘴留有一定的排氣通道，但仍不足夠消除射流間的相互干擾，因此其換熱系數(shù)高于完全沒有排氣通道的情形，卻低于排氣通暢的情形。盡管Martin公式的適用范圍為0.004≤Af≤0.04，為了便于判別高開孔率條件下，Martin公式是否適用，將其開孔率的范圍外延。圖8中給出了Af=0.1時(shí)，無排氣通道下的準(zhǔn)數(shù)方程與Martin公式的比較。由圖可見在高開孔率條件下，Martin公式計(jì)算值低于實(shí)驗(yàn)值，其差異也是隨著ReD的增加越來越顯著，最大可達(dá)30%左右。由此可見，在低開孔率時(shí)，Martin公式適用于排氣條件較好的場合；在高開孔率時(shí)，應(yīng)用Martin公式會低估換熱系數(shù)。

3　結(jié)論

（1）采用實(shí)驗(yàn)方法，測量得到了多排密集圓孔沖擊射流的換熱系數(shù)，并整理為準(zhǔn)數(shù)方程Prn（H/d）p（Xn/d）q的形式，式中C、m、n和p為常數(shù)，且m=0.69，n=0.482，p=-0.268，q=-0.273；該式的適用范圍為：30 000≤ReD≤88 000，2≤Xn/d≤5，2≤H/d≤10，0.036≤Af≤0.227，定性溫度為氣體噴射出口溫度Tg，定性尺寸噴嘴直徑d。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雷諾數(shù)ReD對平均換熱系數(shù)影響最為顯著，其次是噴射高度H/d和噴嘴間距Xn/ d；平均努謝爾數(shù)隨ReD數(shù)的0.69次冪的方式增長，隨無量綱數(shù)Xn/d的-0.269次冪和無量綱數(shù)H/d的-0.273次冪的方式減小。設(shè)置排氣通道，會顯著地提高換熱系數(shù)。

（3）與Martin公式相比，本文的準(zhǔn)數(shù)方程使用于高開孔率、多排密集圓孔射流；本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Martin存在較大的差異，二者差別隨著ReD的增加越來越顯著。

（4）實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴尺寸、噴氣速度、噴嘴間距、排氣方式等與工業(yè)產(chǎn)線上使用的噴嘴一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Experimental Investigation of Multiply Intensive Circular Air Impingement Jets Heat Transfer

CHEN Xiaodan1，LIU Huafei2，LI Wei3
（1.Tube，Pipe and Bar Business Unit，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd，Shanghai 201900，China；2.Baosteel Research Institute，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd，Shanghai 201900，China；3.Tube，Pipe and Bar Business Unit，Precise Steel Tube Plant，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd，Shanghai 201900，China）

The air impingement jet heat transfer coefficient is an indispensable design parameter in a gas-jet cooling device.An experimental investigation on multiply intensive circular impingement heat transfer is presented.The effects of jet Reynolds numbers ReD，Prandtl number Pr，normalized nozzle pitches Xn/ d，and normalized standoff distance H/d on mean heat transfer coefficients are reported.It is found that jet Reynolds number with an exponent of 0.69，and normalized nozzle pitch with an exponent of-0.269 and normalized standoff distance with an exponent of-0.273 have a strong impact on mean Nusselt number NuD.Meanwhile，the exhaust passage will significantly enhance mean heat transfer coefficients.All experimental data have been correlated within 7%as functions of jet Reynolds number ReD，Prandtl number Pr and normalized Xn/d and H/d number with mean Nusselt number NuD.Compared with Martin’s correlation，the present experiment findings are suitable for the intensive gas impingement with high openness.

multiply circular jets；impingement jet cooling；convective heat transfer coefficients

TK124

A

1001-6988（2016）02-0019-05

2016-02-23

陳曉丹（1963—），男，高級工程師，主要從事熱能熱工研究工作.