龍薪羽

（黃石山力科技股份有限公司，湖北 黃石435003）

干燥器在連續(xù)熱鍍鋅帶鋼的酸洗、脫脂、彩涂等后處理工藝生產(chǎn)線中應(yīng)用廣泛[1]，其通過(guò)在帶鋼表面噴吹加熱的空氣，將帶鋼表面的水分蒸發(fā)并帶走[2]。在熱風(fēng)干燥的過(guò)程中涉及的傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，其中以熱對(duì)流為主[3]，故干燥器內(nèi)部的流場(chǎng)分布會(huì)直接影響到干燥效果。對(duì)于傳統(tǒng)的帶鋼干燥器，氣流由噴管的一端進(jìn)入后沿著條狀噴縫噴出，整個(gè)過(guò)程氣流速度不斷降低，這樣會(huì)在帶鋼表面出現(xiàn)左右干濕不均和溫度不均的現(xiàn)象。針對(duì)該現(xiàn)象，改善的方法主要是將噴管單側(cè)進(jìn)氣改為中間進(jìn)氣[4]或者采取漸縮型噴管[5]，其中前者結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用更加廣泛。目前這些改進(jìn)主要是通過(guò)理論分析或宏觀的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鮮有對(duì)干燥器內(nèi)部流場(chǎng)的全面分析。

本文借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)傳統(tǒng)的開(kāi)式帶鋼干燥器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，同時(shí)探究了噴管由單側(cè)進(jìn)氣改為中間進(jìn)氣后全局流場(chǎng)的變化，為帶鋼干燥器的進(jìn)一步改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

湍流模型選取Realizable k-ε模型，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，Realizable k-ε模型更適用于射流問(wèn)題的計(jì)算[6]，而LES大渦模擬或者DNS直接模擬雖然準(zhǔn)確性更高，但是計(jì)算資源消耗過(guò)大，目前難以大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)研究[7]。Realizable k-ε模型在穩(wěn)態(tài)、不可壓縮和忽略傳熱與傳質(zhì)條件下的輸運(yùn)方程如下[8]：

其中k、ε分別為湍動(dòng)能、湍流耗散率；uj為某一方向的平均速度；ρ為流體密度；μ為流體動(dòng)力黏度；μt為湍流黏性系數(shù)；σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的流體脈動(dòng)動(dòng)能；C1=max[0.43，η/（η+5）]，η＝Sk/ε，S=（2DijDij）1/2，Dij為平均應(yīng)變率張量，Dij=（?ui/?xj+?uj/?xi）1/2；C2為模型常量；v為流體運(yùn)動(dòng)粘度。

2 幾何模型及計(jì)算方法

2.1 幾何模型

開(kāi)式帶鋼干燥器的總體尺寸為5 m×3 m×0.6 m（長(zhǎng) ×寬 ×高），帶鋼速度為160 m/min，噴縫與帶鋼的夾角為60°，且逆向帶鋼運(yùn)動(dòng)方向。圖1為兩種結(jié)構(gòu)的干燥器內(nèi)部計(jì)算域，帶鋼由干燥箱前端向后端運(yùn)行，氣流由進(jìn)氣箱進(jìn)入噴管，進(jìn)而通過(guò)噴縫噴向帶鋼，最后由干燥箱的兩端出口進(jìn)入大氣環(huán)境。圖1中結(jié)構(gòu)A為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)B為改進(jìn)后結(jié)構(gòu)，兩者區(qū)別主要是后者將噴管的進(jìn)氣位置由左側(cè)移至中間處，同時(shí)將上下兩排噴管由對(duì)稱(chēng)布置改為交錯(cuò)布置。計(jì)算流域忽略?xún)?nèi)部角鋼等部件，同時(shí)為了增強(qiáng)計(jì)算穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了干燥箱兩端的出口長(zhǎng)度。坐標(biāo)原點(diǎn)位于進(jìn)氣箱右側(cè)面的中心位置，主要分析面為x、y方向各截面（分別對(duì)應(yīng)橫向與縱向）。

圖1結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的內(nèi)部計(jì)算域

圖2 為內(nèi)部流域局部網(wǎng)格圖，采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，較于傳統(tǒng)的四面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格計(jì)算精度更高[9]。在壁面處生成棱柱層網(wǎng)格，且在關(guān)鍵流域如噴縫附近等進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B的網(wǎng)格數(shù)分別為4 042 431（節(jié)點(diǎn)數(shù) 17 924 591）和 5 266 022（節(jié)點(diǎn)數(shù)23 685 828）。

圖2 結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的局部網(wǎng)格

2.2 計(jì)算方法

壓力-速度耦合方式為收斂性更優(yōu)的SIMPLEC算法，壓力插值格式為二階精度，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能和湍流耗散率等方程的離散格式均為二階迎風(fēng)格式。選擇絕對(duì)粗糙度為零的非滑移壁面，并用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理壁區(qū)附近的流動(dòng)。

干燥箱前后兩端出口與大氣相通，設(shè)兩出口壓力為大氣壓，靜壓值為0.氣流入口為恒定的速度入口，速度大小為 12.145 m/s（體積流量為 6 000 m3/h），給定入口的湍流強(qiáng)度和當(dāng)量直徑，湍流強(qiáng)度I為速度脈動(dòng)的均方根值u'（RMS）與平均速度的比值，其中RMS速度也被稱(chēng)為絕對(duì)湍流強(qiáng)度。對(duì)于充分發(fā)展的湍流，入口的湍流強(qiáng)度I可以通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式獲得：

上式中的雷諾數(shù)ReDH是以當(dāng)量直徑DH為特征長(zhǎng)度計(jì)算而來(lái)。

3 結(jié)果分析

3.1 縱向流場(chǎng)分析

帶鋼上下兩側(cè)流場(chǎng)類(lèi)似，縱向流場(chǎng)只分析帶鋼上部區(qū)域。y=170mm截面為經(jīng)過(guò)上排噴管中心線的縱向截面，由圖3可知在結(jié)構(gòu)A中，進(jìn)氣箱中部?jī)蓚?cè)附近的噴管入口處發(fā)生了明顯的二次渦旋，而遠(yuǎn)離進(jìn)氣箱中部的噴管入口處旋渦則相對(duì)較弱，這主要是由于氣流急劇轉(zhuǎn)向所致，該現(xiàn)象可類(lèi)比管內(nèi)流動(dòng)在彎頭處發(fā)生的邊界層分離，彎頭的曲率半徑越小則流動(dòng)分離越嚴(yán)重。同時(shí)可觀察結(jié)構(gòu)A中氣流由進(jìn)氣箱進(jìn)入噴管后速度逐漸降低，導(dǎo)致噴管兩端速度差異明顯。對(duì)于結(jié)構(gòu)B而言，連接管入口處的旋渦特征與結(jié)構(gòu)A類(lèi)似，不同的是對(duì)于正中間的噴管，由于氣流并未發(fā)生轉(zhuǎn)向，故其入口處沒(méi)有出現(xiàn)旋渦。由于結(jié)構(gòu)B的進(jìn)氣位置在噴管中心處，故噴管兩側(cè)的速度關(guān)于帶鋼中心線大致對(duì)稱(chēng)。但是由于彎頭和三通的增加，在這些區(qū)域附近發(fā)生了明顯的回流現(xiàn)象，這會(huì)引起局部阻力損失的增加，再加上連接管的沿程阻力損失，結(jié)構(gòu)B較之結(jié)構(gòu)A總體能耗由468 Pa增加至613 Pa，增幅比例近31.0%.

圖3 結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B中y=170mm截面的速度云圖

觀察圖4，其中y=30mm截面為緊鄰帶鋼上表面的縱向截面，對(duì)于結(jié)構(gòu)A，不同于噴管內(nèi)氣流速度向右逐漸降低的特點(diǎn)，氣流吹噴至帶鋼表面附近的右側(cè)速度反而高于左側(cè)，這無(wú)疑會(huì)引起帶鋼左右兩側(cè)的干濕不均。對(duì)于結(jié)構(gòu)B，帶鋼表面附近流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性得到了較大改善，但氣流在橫向上也并非完全均勻，其中間區(qū)域速度要低于兩側(cè)區(qū)域，這同結(jié)構(gòu)A特點(diǎn)類(lèi)似，具體分析見(jiàn)下文。由圖4還可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B在帶鋼上部區(qū)域沿著運(yùn)行方向氣流高速區(qū)、低速區(qū)交替呈現(xiàn)，這是由于噴射氣流在沖擊帶鋼后再次對(duì)撞所致。

圖5 結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B中各橫向截面的速度云圖

3.2 橫向流場(chǎng)分析

為了改善上下噴縫氣流的直接對(duì)撞情況，結(jié)構(gòu)B采取了交錯(cuò)噴縫的布置。截面x=1 056 mm為經(jīng)過(guò)帶鋼中心線的橫向截面，且截面x=556mm為靠近進(jìn)氣箱的一端。如圖5所示，帶鋼向右運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B均可以發(fā)現(xiàn)與前文類(lèi)似的現(xiàn)象，即在噴管內(nèi)速度較大的橫向截面，而帶鋼近壁區(qū)速度較低且射流貼壁區(qū)域較窄，如結(jié)構(gòu)A的截面x=556 mm和結(jié)構(gòu)B的截面x=1 056 mm.同時(shí)在該兩處截面右側(cè)出現(xiàn)了氣流沒(méi)有接觸帶鋼就被直接排放至出口的情況，這表明干燥箱內(nèi)氣流出現(xiàn)了宏觀的橫向移動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)于結(jié)構(gòu)A是由左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，對(duì)于結(jié)構(gòu)B是由帶鋼中心線向兩側(cè)移動(dòng)，并大部分氣流最終由前端出口流出（可由圖4印證）。導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能在于噴縫出口氣流速度的不斷削弱，故壓力在橫向方向也逐漸降低，從而引起了氣流由高壓區(qū)向低壓區(qū)的橫向移動(dòng)，同時(shí)因?yàn)閲娍p逆向帶鋼運(yùn)行方向噴向帶鋼，使得大部分氣流最后由前端出口流出。盡管結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的噴縫與帶鋼夾角一致，但是二者在干燥箱兩個(gè)出口的流量分配并不一致，結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B在前端出口流量所占入口流量比例分別為84.0%和94.8%，后者較前者提升了近12.9%，如不采取其他措施，前端所排出的大流量熱氣可能會(huì)對(duì)上游設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

圖4 結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B中y=30mm截面的速度云圖

4 結(jié)論

（1）當(dāng)氣流由進(jìn)氣箱進(jìn)入噴管或連接管時(shí)，如噴管或連接管位于入口兩側(cè)，因?yàn)榱鲃?dòng)方向的突然改變，會(huì)導(dǎo)致氣流由進(jìn)氣箱進(jìn)入噴管或連接管時(shí)發(fā)生二次渦旋，且噴管或連接管距離入口越近渦旋越明顯。

（2）對(duì)于傳統(tǒng)的帶鋼干燥器，干燥箱內(nèi)流場(chǎng)就帶鋼中心線對(duì)稱(chēng)性較差，且前端出口流量占入口流量的比例達(dá)到了84.0%（噴縫與帶鋼夾角為60°）；將噴管進(jìn)氣方式由一端進(jìn)氣改為中間進(jìn)氣后，干燥箱內(nèi)流場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性改善明顯，但能耗增加近31.0%，同時(shí)前端出口的流量增加近12.9%.

（3）在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的干燥器噴箱內(nèi)，氣流均會(huì)發(fā)生宏觀的橫向移動(dòng)，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于噴縫流出氣流速度的不斷降低，且橫向移動(dòng)的方向與速度衰減方向一致。