利用Flow Simulation分析真空高压气淬炉的气流运动

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳真空技术研究所 作者:宋静思

  利用SolidWorks 中附带的CFD 插件Flow Simulation 分析VQG- 446 真空高压气淬炉在气淬时流运动情况。结果证明:Flow Simulation 不但能够模拟高压气淬时的气体流动状况,而且与其它CFD 软件相比有操作简化、上手快、学习成本低等特点。特别适合在一线工程师应用于工业设计中,以达到提高工作效率的目地。

  CFD(计算流体力学)软件是CAE 软件中的一个重要分支。长期以来因其复杂性而未获得很好的推广,尤其在广大一线机械工程师队伍中推广使用范围还不大。当然其中还有一些其它关键因素, 使得CFD 软件(或者说CAE 软件中的CFD 功能)未能很好的服务于工业设计。例如,当下几乎所有的专业CFD 软件都对中文支持不好,长期没有中文版,对于一些英语功底不好的优秀工程师来说是一项巨大的学习障碍。其次,很多专业软件功能强大,但操作很不人性化,不利于工程应用。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为以目前国内主流的ANSYS ( 其中包含FLUENT)为例,软件操作不人性化,不符合时代的发展;数据库不完善,这也大大增加了一线工程应用中的成本。

  Flow Simulation 是世界知名三维设计软件SolidWorks 中的流体分析插件,可以与SolidWorks进行数据上的无缝链接。SolidWorks Flow Simulation 流体仿真软件去除了一般计算流体力学软件的复杂性,功能自然不及专业CFD 软件,但可以让工程师快捷地仿真对设计至关重要的流体流动、传热和流体作用力,模拟真实条件下的流体流动,运行“假设条件”的情况,并快速分析浸润零部件或周围零部件上的流体流动、传热和相关作用力的影响,解决实际问题,提高工作效率。

1、模拟对象与边界条件

  利用SolidWorks Flow Simulation 分析VQG- 446真空高压气淬炉中的氮气流动情况,另一方面也探究了Flow Simulation 在实际工程应用的可行性,有利于以后的推广及使用。

VQG- 446 淬火系统结构简图

图1 VQG- 446 淬火系统结构简图

  炉内风冷系统主要由风机、换热器及风管等组件构成。其中炉内共有12 根风管,每根风管有六个喷嘴。工作时由风机吹出的气体经风管进入均温区对工件进行淬火,随后通过换热器将气体冷却,反复如此,使炉内气体不断循环,对工件进行急冷,达到淬火的目的。还可根据工件热处理的工艺要求对冷速作以调节,以适应不同的工况。

  本次模拟的研究对象为炉内气流瞬态的运动状况。根据其流动传热的特点,对模型做以适当的简化,忽略瞬态气体热交换对气流的影响。模拟工况及边界条件尽量选取真实情况的数值进行模拟。

  模拟工况及边界条件如下:

  (1)淬火工件在400 mm×400 mm×600 mm的均温区内,淬火气体为氮气,工作压力为0.5 MPa。

  (2)初始温度为50℃,均温区为1200℃。

  (3)进口边界条件:6000 m3/h(1.667 m3/s)风机的鼓风量可以按如下公式进行计算:由风量计算公式:

Q = 900πD22×U2×Φ(m3/h)

  其中Q - 流量(m3/h);D2 - 叶轮叶片外缘直径(m);U2 - 叶轮叶片外缘线速度(m/s);Φ - 流量系数;

  (4)VQG- 446 采用的是标准9- 26 型风机5#叶轮,所以在标态下的流量可以按上式计算,也可查《风机手册》获取数据。因实际情况的不同,在不同原动机的情况下,9- 26 型风机的风量从4793 m3/h 到6762 m3/h 不等。考虑到设备的实际上VQG- 446 配备了90 kW 大功率电机,进口气体流量设为6000 m3/h(1.667 m3/s)。

  (5)出口边界条件:环境压力0.5 MPa

  (6)炉壁为多层碳毡+ 钼屏的结构保温效果佳,在模拟中认为是绝热壁。

  为了得到更为准确的计算结果,本次模拟的计算域为整个相关模型,未采用1/2 或1/4 区域的模拟方法。这样也可以衡量Flow Simulation 在处理大量计算时的表现。

2、模拟过程

2.1、使用SolidWorks 建模并适当简化

  (1) 根据设备的实际尺寸,进行三维建模,再将零件组装成待分析用的装配体。根据分析所需的条件及状态,对模型进行适当简化,去除与分析不相关的部分。最后经简化的模型由风管、加热室及均温区(以长方体代表)组成;

  (2)由于本次流体分析归于内流分析,所以整个装配体要构成一个封闭的空间,故对风管等零件做封口处理,以满足模拟分析的要求;

  (3)保证整个装配体内部空间的贯通性,注意干涉。

简化后待分析的装配体

图2 简化后待分析的装配体

2.2、Flow Simulation 前处理

  (1)设定边界条件:通过风管进入的风量为1.667 m3/h,出口环境压力为0.5 MPa;

  (2)定义热源:均温区温度为1200℃;

  (3) 设定表目标:分别为出口处的平均流速和均温区表面的平均流速及压强。

3、Flow Simulation 分析结果

  经过计算机的运算后,我们得到了其分析结果。可以通过各种后处理功能来对数据进行后处理,得到想要的数据或图表。

3.1、流体轨迹

  利用Flow Simulation 中的Flow Trajectories 功能可以定义气流轨迹视图来观察到气体流运状况。Flow Trajectories 很形象地用线条表示了气流,用颜色表示流速或气压,还可以根据需要调整轨迹数量的多少。

加热室内部气流轨迹

图3 加热室内部气流轨迹

均温区上表面的气流轨迹

图4 均温区上表面的气流轨迹

3.2、截面图解

  使用Cut Plots 可以生成某一截面的速度图解(也可以是其它相关参数),并可以使用矢量功能来指示气体流动的方向。并且可以通过Probe功能来探测云图任意点的速度大小(其它参数亦然)。从图6 中我们可以观察到截面气体流速的分布(矢量箭头大小代表速度快慢)。

上视基准面的截面图解

图5 上视基准面的截面图解 图6 风管截面图解

  通过Goal Plots 可以生成针对前处理设定的目标的Excel 表格,其中以表格形式列出了计算的结果并且附上的曲线图及每次迭代的结果。这些数据对于分析来说是至关重要的。在实际工程模拟中,可以通过数据来为设计做重要参考。

Goal Plots 生成的部分分析结果

图7 Goal Plots 生成的部分分析结果

4、结论

  (1)通过软件的分析之后,可以从后处理中得到想要的结果。通过与工程实践的比较证明了Flow Simulation 在分析VQG- 446 真空高压淬火炉气流仿真的适用性,同时也证实了VQG- 446 结构设计的合理性。

  (2)Flow Simulation 与其它CFD 软件相比具有操作简单、数据交换性好、功能实用等优点。通过其向导功能可以在短时间内学会使用方法,而且它用功能的实用性代替了专业CFD 软件复杂性,特别适合一线工程师使用。

  (3) 由于Flow Simulation 是一款入门级CFD软件,其专业性上明显不及专业流体分析软件,对于湍流等模型的分析还有不足之处。

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