流场计算机模拟在热处理炉设计中的应用

论文摘要

在热处理过程中,工件加热、冷却的均匀性与化学热处理渗层的均匀性都与热处理炉内气体流动有关,对流体的研究和控制正逐渐成为热处理行业新的研究方向。随着计算流体力学的发展,计算机模拟正成为研究流场的重要手段。但常用计算模型不能反映有风扇驱动的流动情况,为此本文应用计算流体动力学软件Fluent,建立了一个以风扇作为驱动力的多参考坐标系三维湍流耦合传热模型,该模型应用雷诺时均模拟方法,采用k-ε方程作为湍流模型,旋转区域用多参考坐标系模型,计算出风扇内部的气体流动,提高了这种有旋转部件的计算精度。针对现有热处理技术中需要给定换热系数的局限,本文采用耦合传热模型把流体和工件同时作为研究对象来计算温度场,在流体与工件的界面上热流密度保持平衡,换热系数作为计算结果出现,解决了过去计算工件内部温度场必须知道换热系数,而换热系数本身又非常复杂,难于测量的问题。通过用热球式风速仪测量一个实际回火炉内的气体流速,对本文的多参考坐标系三维湍流流动模型进行了验证;通过对气体横掠单管换热系数的测量和高压气淬大模块中温度曲线的测量,对本文的耦合传热模型进行了验证。试验和计算结果的一致性说明了该多参考坐标系三维湍流耦合传热模型用于炉内气体计算的可行性。利用所建立的多参考坐标系三维湍流耦合传热模型对钟罩式渗氮炉进行了虚拟设计研究。通过对炉内工作区域中气体速度场的分析,确定了上下封头为椭圆形、风扇叶型为6个长叶片加6个短叶片、下部三段式碟状导流筒和放射性形状的料盘;针对炉子上部气体不均匀的情况,设计了11种不同类型的导流片,最终找出上部最佳的导流安装方案为三个弧形分流板加一个十字板,使整个工作区域得到了比较均匀的流场。在流场均匀优化的情况下,通过对整个炉子耦合传热温度场的分析,提出了空心法兰内填充保温材料的方案,有效的减少了热量损失;空炉炉温均匀性符合国家标准,在炉子工作区域内装满炉料的情况下,比较了8种不同的发热体设计,得到发热体温度统一采用650℃,顶部发热体去掉1/2电阻丝的方案最佳,同时比较了不同实体装炉方法,最后得到工件不与料盘直接接触以避免导热,工件上方加入挡板以减少上区辐射和对流传热的方案,改善了工件温度均匀性,并扩大了炉膛有效工作空间;此外还给出了控温与测温热电偶从炉底插入安装在料盘附近的方案。至此,得出了这种井式与罩式混合新型气体渗氮炉的总体设计。本文还应用所建立的多参考坐标系三维湍流耦合传热模型对热处理炉中其它案例进行了初步探索。针对现在工程上正在使用的几种典型热处理炉作了内部流动和传热情况的研究:1)研究了网带炉不同结构下气体阻力的分布,通过模拟计算找出了在前室加一块挡板这种较好的可行方案,结果可使气体消耗量降低1/3左右。2)对回火炉进行了流场计算,通过加入导流砖和改变风扇尺寸来优化炉子结构,提高了炉内气体的均匀性。3)针对一个国内典型的真空高压气淬炉模拟计算了气淬散装小料和实体大料时炉内流场和工件内部的温度场,发现其对称的结构并不能带来对称的冷却效果,不管是大料还是小料都会出现温度不对称的情况,找到了用这种真空高压气淬炉处理时工件畸变较大的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热处理过程计算机模拟
• 1.2.1 模拟概况
• 1.2.2 存在的问题
• 1.3 数值模拟模型
• 1.3.1 温度场的计算模型
• 1.3.2 组织转变的计算模型
• 1.3.3 流场的计算模型
• 1.4 本文选题意义以及主要研究内容
• 1.5 参考文献
• 第2章 流场模拟及其验证
• 2.1 引言
• 2.2 数值模拟模型
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 湍流模拟
• 2.2.3 多参考坐标系模型（MRF 模型）
• 2.2.4 微分方程的数值解法
• 2.3 数值模型的实验验证
• 2.3.1 回火炉流场模拟
• 2.3.2 流体速度测量
• 2.3.3 模型验证
• 2.4 本章小结
• 2.5 参考文献
• 第3章 耦合传热的数值模拟及模型验证
• 3.1 引言
• 3.2 耦合传热模型
• 3.2.1 流固温度场计算模型
• 3.2.2 界面传热计算
• 3.3 模型验证
• 3.3.1 外掠等温平板
• 3.3.2 横掠单管换热
• 3.3.3 高压气淬炉内耦合传热模拟
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 第4章 钟罩式渗氮炉虚拟设计的研究
• 4.1 引言
• 4.2 炉型设计
• 4.2.1 钟罩炉内气体流动特点
• 4.2.2 顶部导流系统设计
• 4.3 温度分析
• 4.3.1 钟罩炉温度场模型
• 4.3.2 法兰设计
• 4.3.3 空炉温度分析
• 4.3.4 装满实体零件温度分析
• 4.3.5 提高温度均匀性的措施
• 4.3.6 测温与控温热电偶的位置
• 4.4 本章小结
• 4.5 参考文献
• 第5章 流场动力学在热处理炉中应用的其它案例
• 5.1 引言
• 5.2 减少网带炉气体消耗
• 5.2.1 网带炉概况
• 5.2.2 计算模型建立
• 5.2.3 模拟结果
• 5.3 回火炉结构合理性分析
• 5.4 常见真空高压气淬炉流场与温度场分析
• 5.4.1 散装小料
• 5.4.2 实体大料
• 5.5 参考文献
• 第6章 结论
• 致谢
• 攻读学位期间发表及待发表的学术论文目录