利用Flow Simulation分析真空高压气淬炉的气流运动

真空基础 宋静思 沈阳真空技术研究所

  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