利用Flow Simulation分析真空高壓氣淬爐的氣流運(yùn)動(dòng)
利用SolidWorks 中附帶的CFD 插件Flow Simulation 分析VQG- 446 真空高壓氣淬爐在氣淬時(shí)流運(yùn)動(dòng)情況。結(jié)果證明：Flow Simulation 不但能夠模擬高壓氣淬時(shí)的氣體流動(dòng)狀況，而且與其它CFD 軟件相比有操作簡(jiǎn)化、上手快、學(xué)習(xí)成本低等特點(diǎn)。特別適合在一線(xiàn)工程師應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，以達(dá)到提高工作效率的目地。
CFD(計(jì)算流體力學(xué))軟件是CAE 軟件中的一個(gè)重要分支。長(zhǎng)期以來(lái)因其復(fù)雜性而未獲得很好的推廣，尤其在廣大一線(xiàn)機(jī)械工程師隊(duì)伍中推廣使用范圍還不大。當(dāng)然其中還有一些其它關(guān)鍵因素， 使得CFD 軟件(或者說(shuō)CAE 軟件中的CFD 功能)未能很好的服務(wù)于工業(yè)設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)下幾乎所有的專(zhuān)業(yè)CFD 軟件都對(duì)中文支持不好，長(zhǎng)期沒(méi)有中文版，對(duì)于一些英語(yǔ)功底不好的優(yōu)秀工程師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)巨大的學(xué)習(xí)障礙。其次，很多專(zhuān)業(yè)軟件功能強(qiáng)大，但操作很不人性化，不利于工程應(yīng)用。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為以目前國(guó)內(nèi)主流的ANSYS ( 其中包含F(xiàn)LUENT)為例，軟件操作不人性化，不符合時(shí)代的發(fā)展;數(shù)據(jù)庫(kù)不完善，這也大大增加了一線(xiàn)工程應(yīng)用中的成本。
Flow Simulation 是世界知名三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 中的流體分析插件，可以與SolidWorks進(jìn)行數(shù)據(jù)上的無(wú)縫鏈接。SolidWorks Flow Simulation 流體仿真軟件去除了一般計(jì)算流體力學(xué)軟件的復(fù)雜性，功能自然不及專(zhuān)業(yè)CFD 軟件，但可以讓工程師快捷地仿真對(duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的流體流動(dòng)、傳熱和流體作用力，模擬真實(shí)條件下的流體流動(dòng)，運(yùn)行“假設(shè)條件”的情況，并快速分析浸潤(rùn)零部件或周?chē)悴考系牧黧w流動(dòng)、傳熱和相關(guān)作用力的影響，解決實(shí)際問(wèn)題，提高工作效率。
1、模擬對(duì)象與邊界條件
利用SolidWorks Flow Simulation 分析VQG- 446真空高壓氣淬爐中的氮?dú)饬鲃?dòng)情況，另一方面也探究了Flow Simulation 在實(shí)際工程應(yīng)用的可行性，有利于以后的推廣及使用。
圖1 VQG- 446 淬火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
爐內(nèi)風(fēng)冷系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、換熱器及風(fēng)管等組件構(gòu)成。其中爐內(nèi)共有12 根風(fēng)管，每根風(fēng)管有六個(gè)噴嘴。工作時(shí)由風(fēng)機(jī)吹出的氣體經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入均溫區(qū)對(duì)工件進(jìn)行淬火，隨后通過(guò)換熱器將氣體冷卻，反復(fù)如此，使?fàn)t內(nèi)氣體不斷循環(huán)，對(duì)工件進(jìn)行急冷，達(dá)到淬火的目的。還可根據(jù)工件熱處理的工藝要求對(duì)冷速作以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的工況。
本次模擬的研究對(duì)象為爐內(nèi)氣流瞬態(tài)的運(yùn)動(dòng)狀況。根據(jù)其流動(dòng)傳熱的特點(diǎn)，對(duì)模型做以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略瞬態(tài)氣體熱交換對(duì)氣流的影響。模擬工況及邊界條件盡量選取真實(shí)情況的數(shù)值進(jìn)行模擬。
模擬工況及邊界條件如下：
(1)淬火工件在400 mm×400 mm×600 mm的均溫區(qū)內(nèi)，淬火氣體為氮?dú)�，工作壓力�?.5 MPa。
(2)初始溫度為50℃，均溫區(qū)為1200℃。
(3)進(jìn)口邊界條件：6000 m3/h(1.667 m3/s)風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量可以按如下公式進(jìn)行計(jì)算：由風(fēng)量計(jì)算公式：
Q = 900πD22×U2×Φ(m3/h)
其中Q - 流量(m3/h);D2 - 葉輪葉片外緣直徑(m);U2 - 葉輪葉片外緣線(xiàn)速度(m/s);Φ - 流量系數(shù);
(4)VQG- 446 采用的是標(biāo)準(zhǔn)9- 26 型風(fēng)機(jī)5#葉輪，所以在標(biāo)態(tài)下的流量可以按上式計(jì)算，也可查《風(fēng)機(jī)手冊(cè)》獲取數(shù)據(jù)。因?qū)嶋H情況的不同，在不同原動(dòng)機(jī)的情況下，9- 26 型風(fēng)機(jī)的風(fēng)量從4793 m3/h 到6762 m3/h 不等�？紤]到設(shè)備的實(shí)際上VQG- 446 配備了90 kW 大功率電機(jī)，進(jìn)口氣體流量設(shè)為6000 m3/h(1.667 m3/s)。
(5)出口邊界條件：環(huán)境壓力0.5 MPa
(6)爐壁為多層碳?xì)? 鉬屏的結(jié)構(gòu)保溫效果佳，在模擬中認(rèn)為是絕熱壁。
為了得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本次模擬的計(jì)算域?yàn)檎麄�(gè)相關(guān)模型，未采用1/2 或1/4 區(qū)域的模擬方法。這樣也可以衡量Flow Simulation 在處理大量計(jì)算時(shí)的表現(xiàn)。
2、模擬過(guò)程
2.1、使用SolidWorks 建模并適當(dāng)簡(jiǎn)化
(1) 根據(jù)設(shè)備的實(shí)際尺寸，進(jìn)行三維建模，再將零件組裝成待分析用的裝配體。根據(jù)分析所需的條件及狀態(tài)，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，去除與分析不相關(guān)的部分。最后經(jīng)簡(jiǎn)化的模型由風(fēng)管、加熱室及均溫區(qū)(以長(zhǎng)方體代表)組成;
(2)由于本次流體分析歸于內(nèi)流分析，所以整個(gè)裝配體要構(gòu)成一個(gè)封閉的空間，故對(duì)風(fēng)管等零件做封口處理，以滿(mǎn)足模擬分析的要求;
(3)保證整個(gè)裝配體內(nèi)部空間的貫通性，注意干涉。
圖2 簡(jiǎn)化后待分析的裝配體
2.2、Flow Simulation 前處理
(1)設(shè)定邊界條件：通過(guò)風(fēng)管進(jìn)入的風(fēng)量為1.667 m3/h，出口環(huán)境壓力為0.5 MPa;
(2)定義熱源：均溫區(qū)溫度為1200℃;
(3) 設(shè)定表目標(biāo)：分別為出口處的平均流速和均溫區(qū)表面的平均流速及壓強(qiáng)。
3、Flow Simulation 分析結(jié)果
經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算后，我們得到了其分析結(jié)果。可以通過(guò)各種后處理功能來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到想要的數(shù)據(jù)或圖表。
3.1、流體軌跡
利用Flow Simulation 中的Flow Trajectories 功能可以定義氣流軌跡視圖來(lái)觀(guān)察到氣體流運(yùn)狀況。Flow Trajectories 很形象地用線(xiàn)條表示了氣流，用顏色表示流速或氣壓，還可以根據(jù)需要調(diào)整軌跡數(shù)量的多少。
圖3 加熱室內(nèi)部氣流軌跡
圖4 均溫區(qū)上表面的氣流軌跡
3.2、截面圖解
使用Cut Plots 可以生成某一截面的速度圖解(也可以是其它相關(guān)參數(shù))，并可以使用矢量功能來(lái)指示氣體流動(dòng)的方向。并且可以通過(guò)Probe功能來(lái)探測(cè)云圖任意點(diǎn)的速度大小(其它參數(shù)亦然)。從圖6 中我們可以觀(guān)察到截面氣體流速的分布(矢量箭頭大小代表速度快慢)。
圖5 上視基準(zhǔn)面的截面圖解 圖6 風(fēng)管截面圖解
通過(guò)Goal Plots 可以生成針對(duì)前處理設(shè)定的目標(biāo)的Excel 表格，其中以表格形式列出了計(jì)算的結(jié)果并且附上的曲線(xiàn)圖及每次迭代的結(jié)果。這些數(shù)據(jù)對(duì)于分析來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。在實(shí)際工程模擬中，可以通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)為設(shè)計(jì)做重要參考。
圖7 Goal Plots 生成的部分分析結(jié)果
4、結(jié)論
(1)通過(guò)軟件的分析之后，可以從后處理中得到想要的結(jié)果。通過(guò)與工程實(shí)踐的比較證明了Flow Simulation 在分析VQG- 446 真空高壓淬火爐氣流仿真的適用性，同時(shí)也證實(shí)了VQG- 446 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
(2)Flow Simulation 與其它CFD 軟件相比具有操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)交換性好、功能實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)其向?qū)Чδ芸梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)使用方法,而且它用功能的實(shí)用性代替了專(zhuān)業(yè)CFD 軟件復(fù)雜性，特別適合一線(xiàn)工程師使用。
(3) 由于Flow Simulation 是一款入門(mén)級(jí)CFD軟件，其專(zhuān)業(yè)性上明顯不及專(zhuān)業(yè)流體分析軟件，對(duì)于湍流等模型的分析還有不足之處。
致謝：感謝工程科技網(wǎng)(http://www.engscitech.com/)投稿。
