动态淬火过程流场-温度场的耦合计算

摘要

淬火过程的流-固耦合数值模拟具有重要的理论研究和工程应用价值,对装置结构、介质流场、试样温度场三者之间关系的研究,有利于了解影响最终淬火效果的各种因素,从而指导淬火装置结构及工艺设计。本文借助计算流体动力学软件CFD2000,创建了一种简化的流-固耦合传热模型。首先通过曲线拟合的方法将实测换热系数曲线转化为一组换热系数公式,用以表达固体表面温度T、液体介质流速v、固-液边界综合换热系数h之间的关系；然后对固体表面任意节点在液体介质中确立唯一的速度参考点与之对应；再根据固体表面节点的温度T、与该节点对应的速度参考点的流速v,对上述换热系数公式进行线性插值,得到相应的综合换热系数h,由此确立固-液换热边界条件,从而实现淬火过程流场-温度场的耦合计算,并避免了复杂的气-液两相流计算。本文分析了淬火介质的流动对试样温度场的影响,并用实验证明了这种简化的流-固耦合计算方法的可行性。对不同结构的淬火装置中流场、温度场的模拟计算表明,装置结构的改变,会影响淬火介质流场分布情况,最终影响到试样在淬火冷却过程中的温度场。反过来,根据模拟计算的流场与温度场分布情况,可以评价并指导淬火装置的结构设计,以获得均匀的流动和冷却效果。就本文的三个淬火装置而言,内腔侧壁上分布有很多小孔时,内腔尺寸越小,试样周围介质的流动情况越复杂、介质流速越大,流场分布越不均匀,导致试样冷却越不均匀。为了验证这种简化的流-固耦合计算方法的可行性,本文对淬火介质动态冷却特性测试仪在入口流速不同的情况下,进行了淬火过程的计算机数值模拟和淬火冷却特性的实验测定,并将数值模拟结果与实测结果进行了对比和分析。结果表明,数值模拟结果与实测结果符合较好,模拟的淬火冷却速率曲线上蒸汽膜、沸腾换热、对流冷却三个阶段与实测相对应。模拟曲线上蒸汽膜阶段、对流冷却阶段的温度范围及冷却速率都与实测相符；沸腾换热阶段对应的温度范围与实测值一致,只是最大冷速数值与实测值存在较大偏差。可见,这种流-固耦合计算能够反映淬火过程各阶段的特征,在介质存在相变的复杂淬火过程数值模拟方面具有一定的应用潜力。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 淬火冷却技术

1.2 淬火过程的计算机数值模拟

1.3 本文的研究意义和主要内容

第二章 淬火过程流场和温度场数值模拟的基本理论

2.1 淬火过程流场计算的基本理论

2.2 淬火过程温度场计算的基本理论

2.3 CFD 的求解过程

第三章 淬火过程流场的数值模拟

3.1 淬火装置

3.2 流场的数值模拟

第四章 淬火过程流场与温度场的耦合计算

4.1 复杂淬火装置中流场与温度场的耦合计算

4.2 淬火介质动态冷却特性测试仪中淬火过程的研究

第五章 结论

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