带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟

摘要

本文选择适用于工业生产的带有搅拌系统和均流装置的淬火槽，对淬火介质在槽内的流场分布进行模拟。在专业CFD前处理器GAMBIT中建立三维淬火槽模型并进行有限网格的划分。判断淬火介质在淬火槽中的流动状态，选择标准k-ε双方程湍流模型作为流场模拟的数学基础。利用专业CFD软件FLUENT进行求解计算，得到淬火介质在三维淬火槽内的流场分布情况。分析了淬火槽内介质的流动特征以及均流装置对于流场分布的影响；提出了介质在淬火槽中“有效淬火区”的概念；对比了三种淬火介质水、光亮淬火油、聚合物PAG溶液在淬火槽内流场分布的不同；并研究了淬火槽进口速度、光亮淬火油的使用温度、聚合物浓度对于流场分布的影响。 模拟结果表明：淬火介质在淬火槽内的流场分布是不均匀的，在淬火槽内均流装置的反射作用下，介质在槽内形成一股向上的均匀流动，同时在槽内形成一个湍流漩涡，漩涡中心的流速非常低。淬火槽内的局部均匀流动区域可以被确定为有效淬火区，在有效淬火区内淬火可以使工件获得所需要的组织和性能，提高淬火质量。淬火槽均流装置的位置及尺寸的不同会影响有效淬火区的位置和形状。 提高淬火槽的进口速度不会改变介质流场在槽内分布的规律，但是进口速度的提高会加剧淬火槽内流场分布的不均匀性。光亮淬火油在淬火槽内的流动方向性非常强，它在淬火槽中的有效淬火区域比水的狭窄得多，这是因为光亮淬火油的运动粘度比水大得多。而且光亮淬火油的运动粘度随使用温度的变化而变化，温度越高运动粘度值越低，越有利于其流动。提高使用温度会使光亮淬火油在淬火槽内的湍流发展的较为充分，在淬火槽内形成的有效淬火区域也随之加宽。在低浓度使用条件下，聚合物PAG淬火液在淬火槽内的流场分布与水差别不大，而且浓度的变化对于流场的影响也不是很明显。 三维淬火槽内介质流场的模拟可以给出槽内任意位置的速度矢量及流场的整体分布情况，为实际淬火操作中确定淬火槽的有效淬火区域、提高工件淬火质量以及进一步提高淬火槽设计水平提供了有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1淬火冷却过程

1.1.2淬火过程的计算机模拟

1.1.3热处理计算机模拟新技术的发展

1.2淬火介质流场的计算机模拟

1.2.1淬火冷却过程中搅拌的作用

1.2.2计算流体力学的引入

1.2.3计算流体力学(CFD)方法

1.3 CFD软件

1.3.1 CFD软件简介

1.3.2 FLUENT软件特点及应用

1.4国内外研究现状

1.5本文研究意义和主要内容

1.5.1研究意义

1.5.2主要内容

第二章淬火介质及淬火槽

2.1淬火介质

2.1.1淬火介质冷却原理

2.1.2淬火介质的分类

2.1.3常用淬火介质的优缺点

2.1.4新型淬火介质及其应用

2.1.5淬火介质冷却能力的评定标准

2.2淬火槽

2.2.1淬火槽搅拌系统

2.2.2淬火槽操作

2.2.3淬火槽的几何结构

2.2.4 ProE淬火槽设计

第三章流场的数学模型

3.1 N-S方程

3.2湍流

3.2.1雷诺方程

3.2.2一阶封闭模型(零方程模型)

3.2.3 k-ε模型

3.2.4 k-ε-E(E-涡量)模型

3.2.5雷诺应力模型

3.3边界条件的分析

3.4稳态假设

第四章CFD模拟淬火槽内介质流场

4.1模型的建立和网格的产生

4.1.1建立三维淬火槽模型

4.1.2网格划分

4.1.3边界条件的确定

4.2算法和参数选择

4.2.1解算器的选择

4.2.2定义数学模型

4.2.3设定边界条件参数

4.3计算求解

第五章淬火介质流场模拟结果与分析

5.1淬火槽结构对介质流动的影响

5.2有效淬火区的确定

5.3进口边界速度对流场的影响

5.4温度对于淬火油流场的影响

5.4浓度对聚合物淬火介质流场的影响

5.5流速与淬火烈度的关系

第六章结论与建议

6.1结论

6.2不足与展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间表发论文