热镀锌钢板表面锌波纹影响因素的数值分析

工作没有定量描述锌波纹，也未研究镀锌参数对锌波纹的影响规律.

通过带钢表面锌液流动的一维简化模型预测锌层稳态厚度，并采用摄动法结合三维气刀湍射流流场的大涡模拟，将锌层厚度与带钢表面由气刀射流产生的压强梯度和切应力联系起来，进一步研究气刀距带钢的距离、刀唇间隙、入口压强和入口湍流强度等对锌波纹的影响规律.

1 数值模型

1.1 镀锌层稳态厚度的预测模型

为第1.1节中计算得到的每一瞬时稳态锌层厚度.

随着带钢在y方向上的运动，考虑到气刀射流在时间上的脉动，以上模型可以预测整个带钢表面的锌波纹，即镀锌层厚度波动状况.

1.3 气刀湍射流计算模型

设定x为垂直于带钢表面的方向，y为带钢运动的方向，z为带钢宽度方向.数值计算中气刀距带钢的距离L=12 mm，气刀刀唇间隙d=1.2 mm，带钢速度Vs=2.0 m/s，气刀入口压强P0=50 kPa.采用大涡模拟，Smagorinsky-Lilly Subgrid-Scale模型和PISO算法求解三维非稳态的气刀湍射流流场.[9]气刀出口和冲击射流区域加密网格，最小的网格尺寸为0.1 mm；带钢宽度方向上的网格均匀分布，网格总个数约为12.9万.计算域和边界条件见图3.计算采用固定时间步长Δt=10-6 s.

2 气刀射流流场分析

射流中心平面的弯曲（见图4）是由惯性效应引起的.由于气刀射流冲击带钢表面，从而在气刀的中心平面形成一对相反的力.一个顺气刀射流的方向，另一个与之反向.这就造成射流中心平面的弯曲，用屈曲波长λB=2πI/A[9]表示，I为截面的惯性矩，A为截面面积.当简化成二维模型时λB=πd/3.在上述工况d=1.2 mm下，用此公式计算得到的λB=2.17 mm.图4中的屈曲波长数值结果约为2.15 mm，两者相近.

气刀喷射出的气体速度与带钢的运行速度差值越大，屈曲越小，越难观察到，所以该工况下气体的射流弯曲不太明显.在气刀的射流中心平面可以明显观察到其上方和下方有成对交替的漩涡出现，见图5.某时刻带钢表面上沿

宽度方向上

的静压分布见图6.图6显示沿着碰撞的停滞线（y=0）交替出现高、低压区，这样拟正弦分布的壁面压力引起的漩涡在停滞线上几乎周期性地左右移动[9]，从而导致沿带钢宽度方向上的锌层厚度呈波形分布现象，加上带钢竖直向上运行，就形成带钢表面的锌波纹.

通过带钢表面的压强梯度和切应力分布，结合式（9）和（16）可得到某瞬时带钢宽度方向上的锌层厚度分布，见图7.

3 锌波纹规律研究

在不同工况下，通过分析气刀距带钢的距离S，入口压强P0，刀唇间隙H以及入口湍流强度I对射流流场及锌层厚度的影响，得到观测点压强的脉动拟周期T，平均压强Pm，压强脉动的标准差P′，横向压强脉动波长[4]d，平均锌层厚度hm和锌层厚度标准差h′.

3.1 气刀距带钢的距离S的影响

在P0=40 kPa，H=1.0 mm，I=10%的工况下计算S对气刀射流的湍流脉动流场及锌层厚度的影响，计算结果见表1.

4 结 论

1）通过带钢表面锌液流动的一维简化模型预测锌层稳态厚度，并采用摄动法结合三维气刀湍射流流场的大涡模拟，提出热镀锌钢板表面锌波纹的数值预测模型.

2）分析气刀距带钢的距离

S，入口压强P0，刀唇间隙H以及入口湍流强度I对气刀射流流场及锌层厚度的影响.结果认为：S越小，P0越大，H越小则得到的锌层厚度越均匀；I对气刀射流流场及锌层厚度的影响可以忽略.

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（编辑 武晓英）

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