高压除鳞喷嘴流场三维数值模拟与试验研究

论文摘要

在热轧带钢生产过程中,除鳞一直是不可缺少的一道重要工序,目前国内外多采用高压水除鳞技术,而在高压水除鳞系统中,喷嘴既是射流发生元件也是系统中的关键部件,其功能不仅是把高压泵组提供的静压转换为水的动能,而且要保证射流具有良好的流动特性和动力性能。因此研究和优化喷嘴的几何结构,建立喷嘴结构参数与其射流特性之间的关系,对提高系统除鳞效果有重要意义。本文运用数值模拟的仿真分析与实验研究对照的方法,首先应用CFD软件Fluent对高压除鳞喷嘴的内外流场进行了三维数值模拟和仿真分析,然后在自行研发的喷嘴实验台上对与仿真模型中同规格的喷嘴进行实验,通过理论与实际相结合,研究了高压除鳞喷嘴各结构参数和各种工况对其内外流场和喷射打击力的影响关系,具体研究内容如下:(1)应用前处理软件Gambit建立了喷嘴内部流场的三维模型,采用Fluent软件提供的Laminar层流模型对不同结构参数的喷嘴内部不可压缩、稳态、层流流场进行了数值模拟。分析了喷嘴收缩角、扩张角和直径等参数对其流场速度分布、压力分布和出口轴心速度的影响。(2)通过对高压水除鳞喷嘴外部气液两相亚声速湍流流场进行了三维建模仿真,研究水流离开喷嘴进入到空气中的压力分布和速度分布规律,并通过变参数仿真探讨系统压力和靶距对其喷射流场和打击力分布范围的影响,从而预测出最佳靶距,为确定喷嘴水平间距和工作高度提供了有力的理论依据。(3)利用武汉科技大学流体传动与控制研究所研制的高压除鳞喷嘴性能测试实验台及自行开发的相关测试软件,通过对所选型号喷嘴的射流特性进行实验,得到系统压力、靶距、射流打击力、射流宽度等参数之间的相互关系,并与之前的理论计算和仿真结果进行对比,验证数值仿真的正确性,从而指导喷嘴的加工、选型和布局。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高压水除鳞技术概述
• 1.1.1 高压水除鳞技术的基本原理
• 1.1.2 影响高压水除鳞效果的因素
• 1.2 国内外高压除鳞喷嘴发展现状
• 1.2.1 国外高压除鳞喷嘴发展现状
• 1.2.2 国内高压除鳞喷嘴发展现状
• 1.3 计算流体动力学概述及其在喷嘴中的应用
• 1.3.1 计算流体动力学概述
• 1.3.2 流体计算软件FLUENT 简介
• 1.3.3 喷嘴的试验和数值模拟研究现状
• 1.4 课题来源、研究内容及意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本文的研究内容
• 1.4.3 本课题的研究意义
• 第二章 高压除鳞喷嘴内部流场数值模拟与仿真分析
• 2.1 高压除鳞喷嘴内部流场的三维数值模拟
• 2.1.1 喷嘴几何模型及结构参数
• 2.1.2 流体控制方程
• 2.1.3 喷嘴仿真模型的建立
• 2.1.4 边界条件和数值求解方法
• 2.1.5 仿真结果与分析
• 2.2 各参数对喷嘴出口流速的影响关系分析
• 2.2.1 收缩角α对喷嘴内部流场的影响
• 2.2.2 扩张角θ对喷嘴内部流场的影响
• 2.2.3 喷嘴直径 d 对喷嘴内部流场的影响
• 2.2.4 系统压力对喷嘴内部流场的影响
• 2.3 本章结论
• 第三章 高压除鳞喷嘴外部喷射流场三维数值模拟
• 3.1 三维湍流数值模拟方法及其模型
• 3.1.1 湍流的流动特征
• 3.1.2 湍流的基本方程
• 3.1.3 湍流数值模拟方法及其模型
• 3.1.4 标准k-ε两方程模型
• 3.2 喷嘴喷射流场仿真模型的建立
• 3.3 边界条件和数值求解方法
• 3.4 仿真结果分析
• 3.4.1 喷嘴喷射打击压力的理论分析
• 3.4.2 仿真结果与分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 高压除鳞喷嘴射流特性实验研究
• 4.1 射流结构的理论研究
• 4.2 测试系统组成和实验装置简介
• 4.2.1 水压控制系统
• 4.2.2 机械结构装置
• 4.2.3 电气控制系统
• 4.2.4 计算机监测控制系统
• 4.3 实验原理、内容及步骤
• 4.3.1 实验原理
• 4.3.2 实验内容
• 4.3.3 实验步骤
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 实验结果
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.4.3 测量误差分析
• 4.5 本章小节
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文