關(guān)于軋輥深冷處理空間溫度場模擬研究
2016-04-13 18:47:08 安裝信息網(wǎng)
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論文摘要：本文設(shè)計(jì)一個軋輥深冷處理空間結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模�；诹黧w分析軟件Fluent對該空間溫度場進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，驗(yàn)證了軋輥深冷處理過程中換熱的非線性，并根據(jù)溫度場的分布特點(diǎn)提出了一個簡便易行的測溫點(diǎn)。計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果能直觀地展示溫度場的分布情況，是理論研究和工程應(yīng)用的一種有用的方法。
論文關(guān)鍵詞：軋輥,深冷處理,溫度場,數(shù)值模擬
引言
深冷處理技術(shù)在材料中的應(yīng)用效果已取得了共識。對軋輥進(jìn)行深冷處理可以有效地提高軋輥的硬度和耐磨性，但對軋輥進(jìn)行深冷處理的最佳工藝參數(shù)及穩(wěn)定工藝參數(shù)還需要進(jìn)一步研究探索。軋輥深冷處理空間流場和溫度場的分布情況，尤其是軋輥在深冷處理過程中的溫度分布情況對工藝參數(shù)的選定影響很大，而具體處理空間的流場和溫度場分布情況主要由深冷處理空間結(jié)構(gòu)、軋輥的外形尺寸和材料熱物理性質(zhì)所決定。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對軋輥深冷處理空間的溫度場進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，是一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。模擬空間的流場和溫度場的分布情況，可以為軋輥深冷處理的理論研究奠定基礎(chǔ)。通過計(jì)算機(jī)模擬可以預(yù)測軋輥全面冷透的時間，在工程應(yīng)用中可以有效防止軋輥未冷透而沒有達(dá)到預(yù)期效果，或是冷卻時間過長而浪費(fèi)液氮。
1計(jì)算模型
1.1空間模型的幾何形狀尺寸
本文所模擬的軋輥深冷處理空間為一矩形空間，由汽化區(qū)和工作區(qū)組成，汽化區(qū)有效尺寸為150
600600
，工作區(qū)有效尺寸為4150600600。對軋輥進(jìn)行外形簡化，輥身為Φ3001200
，兩邊輥頸為Φ180900，置于工作區(qū)的中央。采用液氮作為冷卻介質(zhì)，在工作區(qū)和汽化區(qū)的交界面設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫對流，強(qiáng)化液氮的汽化速度以及在工作區(qū)內(nèi)的對流速度。在影響傳熱效率的各因素中，軋輥的材質(zhì)隨需要而定，傳熱的瓶頸在于流體與固體之間的導(dǎo)熱效率。所以要提高降溫速度，就必須有效地減少流體與固體之間的邊界層的厚度，提高流體與固體之間的導(dǎo)熱效率，以更好地滿足溫度控制的要求，達(dá)到快速而均衡降溫的目的�？紤]到軋輥一般為長圓柱體的外形特點(diǎn)，且輥身的直徑較大，在相同的條件下需要更多的冷卻時間，故采用兩個汽化區(qū)和兩臺軸流風(fēng)機(jī)，安裝于工作空間上方，總體結(jié)構(gòu)圖1所示：
圖1空間總體結(jié)構(gòu)圖
1.2控制方程和邊界條件
模擬計(jì)算采用CFD軟件Fluent進(jìn)行，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用四面體和六面體混合劃分，劃分間距為10。由于計(jì)算空間內(nèi)流動參數(shù)隨時間變化而改變，為非定常流動，采用PISO算法進(jìn)行計(jì)算。入口液氮溫度設(shè)為78K，由兩個入口同時加入，每個入口加入量為0.03Kg/S，利用其汽化潛熱和顯熱對初始溫度為300K深冷處理空間和軋輥進(jìn)行冷卻至78K。軸流風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)直徑為300，用Fluent軟件自帶的風(fēng)扇模型簡化，設(shè)置其全壓為100Pa�？紤]了重力的影響，同時作了如下幾個假設(shè)：
1)認(rèn)為空間壁面為絕熱壁面，即處理空間的壁面沒有能量損失；
2)忽略處理空間內(nèi)各物質(zhì)之間的熱輻射作用，即只有熱傳導(dǎo)和熱對流兩種熱能傳遞方式；
3)計(jì)算區(qū)域的流體流動采用Renormalization-group(RNG)K-epsilon兩方程紊流模型，以提高湍流漩渦方面的計(jì)算精度。
由此建立以下三個方程：
1)質(zhì)量守恒方程：
2)動量守恒方程：
3)能量守恒方程：
式中
--密度；
--時間；
--速度矢量；
--源項(xiàng)；
--重力；
--流體微元總能；
--焓；
--溫度；
--有效導(dǎo)熱系數(shù)；
--質(zhì)量擴(kuò)散通量；
--有效應(yīng)力張量；
--液氮汽化潛熱。
液氮進(jìn)入汽化區(qū)后吸熱汽化為氮?dú)猓涿芏�、比熱和�?dǎo)熱參數(shù)隨溫度變化曲線擬合如圖2、圖3、圖4所示：
圖2液氮密度曲線圖圖3液氮比熱曲線圖圖4液氮導(dǎo)熱曲線圖
選擇軋輥材質(zhì)為W9Mo3Cr4V，取其密度為固定值，比熱和導(dǎo)熱參數(shù)隨溫度變化曲線擬合如圖5、圖6所示：
圖5W9Mo3Cr4V比熱曲線圖圖6W9Mo3Cr4V導(dǎo)熱曲線圖
冷卻介質(zhì)和軋輥的材料熱物理性質(zhì)隨溫度而變化的非線性,加上兩者間的對流換熱系數(shù)亦隨溫度而變化的非線性，決定了軋輥在深冷處理時的換熱是非線性的，冷卻降溫過程應(yīng)為一曲線過程。這也使得控制方程難以用數(shù)學(xué)解析方法求解，因而必須采用計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)值求解方法，以求得軋輥在深冷處理過程中的溫度場分布情況。
2．計(jì)算結(jié)果分析
模擬計(jì)算的結(jié)果表明：在液氮噴入后工作區(qū)的溫度場分布發(fā)生劇烈擾動，但在一分鐘內(nèi)基本恢復(fù)平衡，隨后整體均衡降溫，說明空間的結(jié)構(gòu)分布有利于軋輥的平衡降溫。其在運(yùn)行一分鐘和十分鐘時Z=0截面的溫度分布云圖如圖7、圖8所示：
圖71min溫度分布圖圖860min溫度分布圖
軋輥經(jīng)過500分鐘的冷卻后，體積平均溫度為78.16K，內(nèi)部最大溫差在0.5K之內(nèi)，可以認(rèn)為計(jì)算收斂，即軋輥已經(jīng)冷卻到預(yù)定的溫度。取軋輥以及軋輥與空間的每分鐘溫差，分別作降溫速率曲線如圖9、圖10所示：
圖9軋輥降溫速率曲線圖圖10軋輥與空間溫差曲線圖
兩曲線形狀相近，說明軋輥的降溫速率隨軋輥和空間之間的溫差變化而變，這符合理論分析，說明模擬的結(jié)果是可信的。 軋輥在前250分鐘內(nèi)以較快的速度降溫至92.88K，在隨后的250分鐘緩慢降溫至78.16K，每分鐘降溫速率小于0.2K，說明換熱效率在下降，即在運(yùn)行250分鐘后可以控制液氮的進(jìn)入量，以減少液氮損失。
實(shí)際應(yīng)用中在不破壞工件的條件下，軋輥內(nèi)部溫度是難以準(zhǔn)確監(jiān)測的。考察空間內(nèi)溫度場的分布情況，在重力的影響下，軋輥的正上方溫度較其他位置略高，故在坐標(biāo)(X=0，Y=300，Z=0)處設(shè)置測溫點(diǎn)，采集該點(diǎn)的軋輥表面及空間的溫度曲線，與空間及軋輥以體積平均的溫度曲線作比較，如下圖11、圖12所示：
圖11溫度對比曲線圖圖12450min至500min局部放大圖
可以看出所設(shè)測溫點(diǎn)的溫度與體積平均溫度存在一定的誤差，但誤差隨著溫度的降低而減小。在476分鐘時，軋輥表面測點(diǎn)溫度為78.5K，軋輥體積平均溫度為78.25K，內(nèi)部最高溫度為78.6K，溫差小于0.5K，說明在工程應(yīng)用上以該點(diǎn)的溫度測值作為收斂判斷是可以滿足要求的。
3．結(jié)論
設(shè)計(jì)的軋輥深冷處理空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較為均衡的降溫過程，能夠滿足深冷處理目的。材料熱物理性質(zhì)參數(shù)和流體與固體間對流換熱系數(shù)的非線性，決定了軋輥在深冷處理中換熱過程的非線性，其降溫過程是一曲線，其降溫速率受軋輥與空間之間的溫差約束。軋輥的每分鐘降溫速率由快至慢，說明換熱效率在下降，在運(yùn)行時可據(jù)此控制液氮的進(jìn)入量隨之減小，以減少液氮損失。對軋輥的深冷處理進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的計(jì)算結(jié)果表明，這種方法可以直觀地展示深冷處理過程中的溫度場分布情況，可以為深冷處理理論研究作基礎(chǔ)，能夠?yàn)楣こ虒?shí)用提供有用的預(yù)測值，是理論研究和工程應(yīng)用的一種有用的方法。
參考文獻(xiàn)
1 閆獻(xiàn)國,龐思勤,李永堂.高速鋼深冷處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝,2008,(3):14-18.
2 陳國邦,黃永華,包銳.低溫流體熱物理性質(zhì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.
3 江帆,黃鵬.Fluent高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.
4 李進(jìn)良,李承曦,胡仁喜等.精通FLUENT6.3流場分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
5 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2007.
6 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
論文關(guān)鍵詞：軋輥,深冷處理,溫度場,數(shù)值模擬
引言
深冷處理技術(shù)在材料中的應(yīng)用效果已取得了共識。對軋輥進(jìn)行深冷處理可以有效地提高軋輥的硬度和耐磨性，但對軋輥進(jìn)行深冷處理的最佳工藝參數(shù)及穩(wěn)定工藝參數(shù)還需要進(jìn)一步研究探索。軋輥深冷處理空間流場和溫度場的分布情況，尤其是軋輥在深冷處理過程中的溫度分布情況對工藝參數(shù)的選定影響很大，而具體處理空間的流場和溫度場分布情況主要由深冷處理空間結(jié)構(gòu)、軋輥的外形尺寸和材料熱物理性質(zhì)所決定。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對軋輥深冷處理空間的溫度場進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，是一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。模擬空間的流場和溫度場的分布情況，可以為軋輥深冷處理的理論研究奠定基礎(chǔ)。通過計(jì)算機(jī)模擬可以預(yù)測軋輥全面冷透的時間，在工程應(yīng)用中可以有效防止軋輥未冷透而沒有達(dá)到預(yù)期效果，或是冷卻時間過長而浪費(fèi)液氮。
1計(jì)算模型
1.1空間模型的幾何形狀尺寸
本文所模擬的軋輥深冷處理空間為一矩形空間，由汽化區(qū)和工作區(qū)組成，汽化區(qū)有效尺寸為150
600600，工作區(qū)有效尺寸為4150600600。對軋輥進(jìn)行外形簡化，輥身為Φ3001200，兩邊輥頸為Φ180900，置于工作區(qū)的中央。采用液氮作為冷卻介質(zhì)，在工作區(qū)和汽化區(qū)的交界面設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫對流，強(qiáng)化液氮的汽化速度以及在工作區(qū)內(nèi)的對流速度。在影響傳熱效率的各因素中，軋輥的材質(zhì)隨需要而定，傳熱的瓶頸在于流體與固體之間的導(dǎo)熱效率。所以要提高降溫速度，就必須有效地減少流體與固體之間的邊界層的厚度，提高流體與固體之間的導(dǎo)熱效率，以更好地滿足溫度控制的要求，達(dá)到快速而均衡降溫的目的�？紤]到軋輥一般為長圓柱體的外形特點(diǎn)，且輥身的直徑較大，在相同的條件下需要更多的冷卻時間，故采用兩個汽化區(qū)和兩臺軸流風(fēng)機(jī)，安裝于工作空間上方，總體結(jié)構(gòu)圖1所示：圖1空間總體結(jié)構(gòu)圖
1.2控制方程和邊界條件
模擬計(jì)算采用CFD軟件Fluent進(jìn)行，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用四面體和六面體混合劃分，劃分間距為10
。由于計(jì)算空間內(nèi)流動參數(shù)隨時間變化而改變，為非定常流動，采用PISO算法進(jìn)行計(jì)算。入口液氮溫度設(shè)為78K，由兩個入口同時加入，每個入口加入量為0.03Kg/S，利用其汽化潛熱和顯熱對初始溫度為300K深冷處理空間和軋輥進(jìn)行冷卻至78K。軸流風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)直徑為300，用Fluent軟件自帶的風(fēng)扇模型簡化，設(shè)置其全壓為100Pa�？紤]了重力的影響，同時作了如下幾個假設(shè)：1)認(rèn)為空間壁面為絕熱壁面，即處理空間的壁面沒有能量損失；
2)忽略處理空間內(nèi)各物質(zhì)之間的熱輻射作用，即只有熱傳導(dǎo)和熱對流兩種熱能傳遞方式；
3)計(jì)算區(qū)域的流體流動采用Renormalization-group(RNG)K-epsilon兩方程紊流模型，以提高湍流漩渦方面的計(jì)算精度。
由此建立以下三個方程：
1)質(zhì)量守恒方程：
2)動量守恒方程：
3)能量守恒方程：
式中
--密度；--時間；--速度矢量；--源項(xiàng)；--重力；--流體微元總能；--焓；--溫度；--有效導(dǎo)熱系數(shù)；--質(zhì)量擴(kuò)散通量；--有效應(yīng)力張量；--液氮汽化潛熱。液氮進(jìn)入汽化區(qū)后吸熱汽化為氮?dú)猓涿芏�、比熱和�?dǎo)熱參數(shù)隨溫度變化曲線擬合如圖2、圖3、圖4所示：
圖2液氮密度曲線圖圖3液氮比熱曲線圖圖4液氮導(dǎo)熱曲線圖
選擇軋輥材質(zhì)為W9Mo3Cr4V，取其密度為固定值，比熱和導(dǎo)熱參數(shù)隨溫度變化曲線擬合如圖5、圖6所示：
圖5W9Mo3Cr4V比熱曲線圖圖6W9Mo3Cr4V導(dǎo)熱曲線圖
冷卻介質(zhì)和軋輥的材料熱物理性質(zhì)隨溫度而變化的非線性,加上兩者間的對流換熱系數(shù)亦隨溫度而變化的非線性，決定了軋輥在深冷處理時的換熱是非線性的，冷卻降溫過程應(yīng)為一曲線過程。這也使得控制方程難以用數(shù)學(xué)解析方法求解，因而必須采用計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)值求解方法，以求得軋輥在深冷處理過程中的溫度場分布情況。
2．計(jì)算結(jié)果分析
模擬計(jì)算的結(jié)果表明：在液氮噴入后工作區(qū)的溫度場分布發(fā)生劇烈擾動，但在一分鐘內(nèi)基本恢復(fù)平衡，隨后整體均衡降溫，說明空間的結(jié)構(gòu)分布有利于軋輥的平衡降溫。其在運(yùn)行一分鐘和十分鐘時Z=0截面的溫度分布云圖如圖7、圖8所示：
圖71min溫度分布圖圖860min溫度分布圖
軋輥經(jīng)過500分鐘的冷卻后，體積平均溫度為78.16K，內(nèi)部最大溫差在0.5K之內(nèi)，可以認(rèn)為計(jì)算收斂，即軋輥已經(jīng)冷卻到預(yù)定的溫度。取軋輥以及軋輥與空間的每分鐘溫差，分別作降溫速率曲線如圖9、圖10所示：
圖9軋輥降溫速率曲線圖圖10軋輥與空間溫差曲線圖
兩曲線形狀相近，說明軋輥的降溫速率隨軋輥和空間之間的溫差變化而變，這符合理論分析，說明模擬的結(jié)果是可信的。 軋輥在前250分鐘內(nèi)以較快的速度降溫至92.88K，在隨后的250分鐘緩慢降溫至78.16K，每分鐘降溫速率小于0.2K，說明換熱效率在下降，即在運(yùn)行250分鐘后可以控制液氮的進(jìn)入量，以減少液氮損失。
實(shí)際應(yīng)用中在不破壞工件的條件下，軋輥內(nèi)部溫度是難以準(zhǔn)確監(jiān)測的。考察空間內(nèi)溫度場的分布情況，在重力的影響下，軋輥的正上方溫度較其他位置略高，故在坐標(biāo)(X=0，Y=300，Z=0)處設(shè)置測溫點(diǎn)，采集該點(diǎn)的軋輥表面及空間的溫度曲線，與空間及軋輥以體積平均的溫度曲線作比較，如下圖11、圖12所示：
圖11溫度對比曲線圖圖12450min至500min局部放大圖
可以看出所設(shè)測溫點(diǎn)的溫度與體積平均溫度存在一定的誤差，但誤差隨著溫度的降低而減小。在476分鐘時，軋輥表面測點(diǎn)溫度為78.5K，軋輥體積平均溫度為78.25K，內(nèi)部最高溫度為78.6K，溫差小于0.5K，說明在工程應(yīng)用上以該點(diǎn)的溫度測值作為收斂判斷是可以滿足要求的。
3．結(jié)論
設(shè)計(jì)的軋輥深冷處理空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較為均衡的降溫過程，能夠滿足深冷處理目的。材料熱物理性質(zhì)參數(shù)和流體與固體間對流換熱系數(shù)的非線性，決定了軋輥在深冷處理中換熱過程的非線性，其降溫過程是一曲線，其降溫速率受軋輥與空間之間的溫差約束。軋輥的每分鐘降溫速率由快至慢，說明換熱效率在下降，在運(yùn)行時可據(jù)此控制液氮的進(jìn)入量隨之減小，以減少液氮損失。對軋輥的深冷處理進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的計(jì)算結(jié)果表明，這種方法可以直觀地展示深冷處理過程中的溫度場分布情況，可以為深冷處理理論研究作基礎(chǔ)，能夠?yàn)楣こ虒?shí)用提供有用的預(yù)測值，是理論研究和工程應(yīng)用的一種有用的方法。
參考文獻(xiàn)
1 閆獻(xiàn)國,龐思勤,李永堂.高速鋼深冷處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝,2008,(3):14-18.
2 陳國邦,黃永華,包銳.低溫流體熱物理性質(zhì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.
3 江帆,黃鵬.Fluent高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.
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6 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
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