流場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬在熱處理爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf

1、在熱處理過程中，工件加熱、冷卻的均勻性與化學(xué)熱處理滲層的均勻性都與熱處理爐內(nèi)氣體流動(dòng)有關(guān)，對(duì)流體的研究和控制正逐漸成為熱處理行業(yè)新的研究方向。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬正成為研究流場(chǎng)的重要手段。 本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，建立了一個(gè)以風(fēng)扇作為驅(qū)動(dòng)力的多參考坐標(biāo)系三維湍流耦合傳熱模型，該模型應(yīng)用雷諾時(shí)均模擬方法，采用κ-ε方程作為湍流模型，旋轉(zhuǎn)區(qū)域用多參考坐標(biāo)系模型，計(jì)算出風(fēng)扇內(nèi)部的氣體流動(dòng)，提高了這種有旋轉(zhuǎn)

2、部件的計(jì)算精度。針對(duì)現(xiàn)有熱處理技術(shù)中需要給定換熱系數(shù)的局限，本文采用耦合傳熱模型把流體和工件同時(shí)作為研究對(duì)象來計(jì)算溫度場(chǎng)，在流體與工件的界面上熱流密度保持平衡，換熱系數(shù)作為計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)，解決了過去計(jì)算工件內(nèi)部溫度場(chǎng)必須知道換熱系數(shù)，而換熱系數(shù)本身又非常復(fù)雜，難于測(cè)量的問題。通過用熱球式風(fēng)速儀測(cè)量一個(gè)實(shí)際回火爐內(nèi)的氣體流速，對(duì)本文的多參考坐標(biāo)系三維湍流流動(dòng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)氣體橫掠單管換熱系數(shù)的測(cè)量和高壓氣淬大模塊中溫度曲線的測(cè)量，對(duì)

3、耦合傳熱模型進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的一致性，說明了該多參考坐標(biāo)系三維湍流耦合傳熱模型用于爐內(nèi)氣體計(jì)算的可行性。 利用所建立的多參考坐標(biāo)系三維湍流耦合傳熱模型，對(duì)鐘罩式滲氮爐進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)研究。通過對(duì)爐內(nèi)工作區(qū)域中氣體速度場(chǎng)的分析，確定了上下封頭為橢圓形、風(fēng)扇葉型為6個(gè)長葉片加6個(gè)短葉片、下部三段式碟狀導(dǎo)流筒和放射性形狀的料盤；針對(duì)爐子上部氣體不均勻的情況，設(shè)計(jì)了11種不同類型的導(dǎo)流片，最終找出上部最佳的導(dǎo)流安裝方案為三個(gè)弧形

4、分流板加一個(gè)十字板，使整個(gè)工作區(qū)域得到了比較均勻的流場(chǎng)。在流場(chǎng)均勻優(yōu)化的情況下，通過對(duì)整個(gè)爐子耦合傳熱溫度場(chǎng)的分析，提出了空心法蘭內(nèi)填充保溫材料的方案，有效的減少了熱量損失；空爐爐溫均勻性符合國家標(biāo)準(zhǔn)，在爐子工作區(qū)域內(nèi)裝滿爐料的情況下，比較了8種不同的發(fā)熱體設(shè)計(jì)，得到發(fā)熱體溫度統(tǒng)一采用650℃，頂部發(fā)熱體去掉1/2電阻絲的方案最佳，同時(shí)比較了不同實(shí)體裝爐方法，最后得到工件不與料盤直接接觸以避免導(dǎo)熱，工件上方加入擋板以減少上區(qū)輻射和對(duì)流傳

5、熱的方案，改善了工件溫度均勻性，并擴(kuò)大了爐膛有效工作空間；此外還給出了控溫與測(cè)溫?zé)犭娕紡臓t底插入安裝在料盤附近的方案.至此，得出了這種井式與罩式混合新型氣體滲氮爐的總體設(shè)計(jì). 本文還應(yīng)用所建立的多參考坐標(biāo)系三維湍流耦合傳熱模型對(duì)熱處理爐中其它案例進(jìn)行了初步探索。針對(duì)現(xiàn)在工程上正在使用的幾種典型熱處理爐作了內(nèi)部流動(dòng)和傳熱情況的研究：1)研究了網(wǎng)帶爐不同結(jié)構(gòu)下氣體阻力的分布，通過模擬計(jì)算找出了在前室加一塊擋板這種較好的可行方案，結(jié)果