大型淬火水槽的流场分析及其优化研究

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1、摘 要目前我国重点开展高新装备制造业，大型铸锻件淬火工艺是突破大型工件制备技术的关键。淬火是热加工过程的最后一道工序，起着举足轻重的作用。淬火过程中，水槽内均匀、高速的液流是保证工件冷却速度、获得所需组织与性能的关键。本文借助于计算流体力学技术对现有大型淬火水槽内的流场进行数值模拟，得到大型淬火水槽内部流场的分布情况及其特点，发现现有水槽结构设计不合理，出现短路现象及工件内壁附近流速过低；在此根底之上，重点考察了增加挡板和改变不同芯棒参数的淬火水槽内的流场，提出了改良方案,最终得到了优化结果。关键词：大型淬火水槽，计算流体力学，数值模拟，流场ABSTRACTAt present we focu

2、s on developing high-tech equipment manufacturing industry, and Forging quenching process is a breakthrough technology the key to preparation of large workpieces. Quenching is a thermal process of the last process plays an important role. Quenching process, the tank uniform, high-speed flow is to en

3、sure that the workpiece cooling rate, microstructure and properties of the necessary key. Existing large-scale flow within the quench tank has been simulated by means of computational fluid dynamics technology. Large-scale flow field quench tank and characteristics of the distribution is known, foun

4、d that the existing tank structure design is unreasonable, short-circuit behavior and low velocity near the inner wall of the workpiece; On this basis, mainly inspected and changed different baffle mandrel to increase the quenching parameters of the flow tank, the improved scheme, the end result has

5、 been optimized.Key words: large quenching tank, computational fluid dynamics, numerical simulation, flow field目 录1绪论11.1 课题的目的和意义11.2 国内外研究现状与开展趋势22淬火过程根底研究42.1 淬火原理42.2 淬火信息和工业生产情况53数值建模的根底研究93.1 流场的数学模型93.2 FLUENT软件介绍114淬火水槽流场CFD模拟计算154.1 水槽结构154.2 几何建模和网格划分154.3 数学模型和边界条件184.4 结果分析184.5 现有问题总结23

6、4.6 参数附录235 淬火水槽的优化改良285.1 挡板285.2 芯棒305.3 参数附录406 结论45参考文献46致谢481 绪论随着现代科学技术的开展，对金属零件的性能和可靠性的要求越来越高。金属零件的内在性能和质量，除材料成分特征外，主要是在加热过程中形成的。热处理那么是热加工过程的最后一道工序，起着举足轻重的作用。重要零件都要经过热处理工序做组织和性能的最后调整。热处理可以改变试件内部组织结构，获得预期的性能。1.1课题的目的和意义目前我国大力开展冶金、发电、石化、船舶、核电装备及其他大型制造装备业，这些工程均需要质量良好的大型轴类产品，并且需要通过淬火到达相应标准。国际上大型船

7、用曲轴制造主要被日本、韩国所垄断，我国全部依赖进口。由于供货紧张，经常出现“有船无轴的被动局面，极大制约了我国船舶行业的开展。目前我国在15年内新增近400台大型水电机组的水电开展方案与新建和改造20多个千万吨级大型炼油厂的方案也会极大刺激大型铸锻件的需求。“十一五期间，每年冷热连轧机新建和配件所需锻钢支撑辊约700支左右，毛坯锻件约5万吨；每年中厚板轧机锻钢支承辊新建和配件约150支，毛坯锻件约1.5万吨；热轧工作辊每年需要毛坯锻件3万吨。以上合计，每年需要在万吨水压机上生产的大型毛坯锻件接近10万吨。并且大型铸锻件将是全球性极为稀缺的战略资源，所以需要竭力开展具有自主知识产权的大型淬火水槽

8、设备从而保证大型铸锻件热处理质量与提升大型铸锻件的性能，以保证国民经济各行业高速、健康开展和国防建设的完善；对于提高我国制造业的竞争力，加速我国成为世界制造业强国也具有至关重要的意义。并且未来 10年15年，将是推进我国工业化进程的关键时期，冶金、电力、石化、船舶等行业将继续开展，对大型铸锻件的需求也随之增加。因此，通过自主创新和技术改造更新技术装备，突破大型铸锻件瓶颈制约，已是大势所迫，刻不容缓14。然而目前我国大型铸锻件自主化主要面临如下问题：第一，大型铸锻件产品试制本钱高。重大技术装备大型铸锻件尺寸大、形状复杂、技术要求高、制造难度大，需要解决冶炼、锻造、热处理等一系列技术问题。第二，大

9、型铸锻件制造机理亟待突破。由于缺乏根底技术，不掌握大型铸锻件机理，产品质量难以保证。第三，高端铸锻件产品进入市场门槛高，国内用户不愿冒险使用国产装备。第四，重复建设影响大型铸锻件自主化5。目前大铸锻件淬火工艺是突破大型工件制备技术的关键。均匀、高速的液流是保证工件冷却速度、获得所需组织与性能的关键。传统的研究手段不能有效解决上述问题，需要借助于计算流体力学技术对大型淬火水槽内的流场进行分析和优化研究6。淬火介质的流动对淬火来说是至关重要的，因为淬火槽的体积和介质流速决定了冷却循环过程中的换热情况78。此外，淬火槽内的速度场也是决定对流换热系数的关键因素。大型铸锻件通过淬火工艺将大幅提升钢的强度

10、、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，以满足各种机械零件工具和装备制造业的不同使用要求，也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能，以用于特定的装备制造业中。目前淬火槽内介质流场对淬火过程影响较大，但有效地控制介质流动可获得较好的淬火效果，所以以介质流场为研究对象，研究淬火槽流场分布特点，这些研究对于指导淬火槽设计、保证工件淬火质量都是非常重要的。基于这一工作思路，本次设计针对淬火槽内介质流场为研究对象，为淬火槽的结构设计和淬火冷却过程的智能化控制打下良好的根底。这一设计方法的提出和优化研究，将会建立起一个淬火工艺技术、淬火设备与组织、性能之间相互关系的有效研究和实用渠

11、道9。1.2国内外研究现状与开展趋势目前热处理行业的研究方向主要集中于淬火过程的实验测试与计算流体动力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究。近几年来对淬火冷却介质的研究开发也取得了一定的成绩，但是对淬火冷却设备方面的研究报道却甚少，这在很大程度上制约了淬火冷却设备的改造与更新，且影响淬火产品质量的提高。而淬火槽的结构设计对于工件的淬火质量影响是非常大的。1.2.1流场相关模拟Nakamura10等研究了过去由Tamura研究所开发的银探头， 其作用是用于测试淬火油中各种污染物对探头周围成膜的不均匀性及随后膜破裂的影响。此研究成果在目前将有助于解释有

12、害杂质的存在对淬火不均匀性， 如软点、开裂等的影响。而Segerberg也利用冷却曲线研究了油和高压气体，淬火介质所呈现的界面冷却性能的差异的成果。和GE.Toettn以及1112等这些科学家也通过考虑流场与传热之间的关系，用计算机模拟方法研究出了油和聚合物淬火介质与工件外表热交换的机理，通过这个研究报告，分析出了介质的流动状况对换热系数的影响。从获得的结果来看，工件浸入液体介质中淬火比过去想象的要复杂，介质的流动状况对冷却不均匀性和淬火畸变存在较大影响。所以针对流场进行模拟对淬火过程具有重要意义。企业方面上海重型机械厂等单位开始采用有限法，对中、小型轧辊淬火冷却过程进行了模拟；虽然他们根据自

13、身情况出发，从数学模型、物性参数、换热系数等都进行了一定量的简化，但是模拟结果的总体还是非常有意义的。清华大学等学校采用有限法对中、小型轧辊和电机转子淬火冷却过程进行了模拟计算，根据结果对现实生产工艺提出了一些建议9。郑州机械研究所13等科研单位也淬火过程模拟计算领域取得了一定的研究成果。通过国内外的研究，目前在计算过程中对物性参数非线性问题处理的认识和研究还需要不断的深入。但我国淬火过程数值模拟和国外相比，在理论研究和工业应用都存在着一定的差距。目前热处理设备的设计中应用流场动力学模拟也有相应案例，上海交通大学曾帮助盐城丰东热处理和洛阳矿山机器厂所设计的有效装炉气体渗碳炉进行了流场动力学模拟

14、，通过此次模拟使大型齿轮渗碳时齿面周围的气体流速到达一定的要求，从而保证了齿面渗碳的均匀性。通过把流场动力学模拟引入到热处理计算机模拟的研究范围中，尽可能将工件与介质以及整个空间作完整的模拟对象，是一个重要的开展趋势14。热处理智能化将成为信息化时代背景下热处理技术开展的一个重要方向，热处理模型和计算机模拟将被各国热处理界所重视。1.2.2淬火冷却设备目前我国淬火槽大致有两种类型，一种是位于自动生产线中的连续式淬火槽，工件经过传送机构送入各种加热炉中处理，随后被传送到淬火槽中，完成淬火过程。这类淬火槽大多有控温(加热、冷却)、搅拌功能，如网带炉、推杆式气体渗碳炉、密封箱式炉等的淬火油槽。另一种

15、主要是针对目前量大面广的周期式热处理炉用的周期式淬火槽。这些淬火槽性能单一，有的工厂仅用一个简单的槽体，有的在槽内装有蛇形冷却管、加热器、升降台等设施，甚至有的工厂为了搅拌淬火油而向槽中通压缩空气严重影响了工件的淬火质量。很少有根据工件冷却性能要求设计的淬火槽，导致工件淬火质量差而不稳定。国外通用淬火机床朝柔性化方向开展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件；对于轴类零件在一定直径范围内如30mm与长度300800mm范围内，对于相似淬火要求的轴类零件，淬火机能自动编制14种程序，自动识别进

16、机零件；Robotron.Eiotherm推出了一种双主轴立式淬火机，它能够在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需25min，用计算机编程，根据工件号在2 min内就可调出有关工艺数据；而GH公司数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。先进的计算机控制技术还可以监控并在屏幕上显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部的操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏

17、幕上显示故障性质和所要修正的动作。更先进的控制系统还适应材料化学成分的波动，并自动调整比功率或加热时间，以保证淬火零件的质量15。纵览国内外研究现状可以发现，国内外均以中小型水槽为主，而且由于大型铸锻件生产要求较高，对于工业开展具有重要意义，因此本次毕业设计针对此问题对大型淬火水槽进行研究，为大型铸锻件热处理生产解决问题。2 淬火过程根底研究2.1淬火原理淬火在冶金学中的定义是加热工件“受控的放热，是机械零件生产加工过程中的关键环节之一。淬火好坏直接关系到零件的性能和质量。在生产中因淬火引起的畸变和淬裂导致工件返修和报废是热处理工艺的最大难题。造成工件在淬火中的畸变和开裂原因是多方面的，图 2

18、-1显示了淬火过程中各因素相互作用的复杂性9。图2-1 淬火过程中各因素相互作用关系图9淬火是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺，是将工件加热至奥氏体或局部奥氏体的温度，然后以大于临界冷却速度冷到Ms点一下，发生马氏体转变。从C曲线可知，要淬成马氏体，首先在400-650范围内快冷以防止碰上C曲线的鼻尖，如图2-2所示。而在650以上，在保证不出现珠光体类组织的前提下，冷却速度应尽可能慢；在400以下那么又要求慢冷，以减轻马氏体转变时的相变应力16。图2-2 C曲线淬火冷却技术是指钢在奥氏体化后，按预定的方式快速冷却，以获得预期的组织和性能的技术。它包括淬火工艺及其优化、淬火介质及其性能评定、

19、淬火装置设计、冷却过程及其参数控制、冷却过程模拟及性能预报、淬火畸变、开裂及剩余应力控制等。淬火处理的实质就是通过适度调整和控制淬火介质的流速、温度以调整和控制淬火试件的温度场、显微组织场和应力(应变)场，使试件获得所需要的组织、性能和较小的剩余应力及剩余形变9。2.2淬火信息和工业生产情况淬火相关信息淬火冷却时，既要快速冷却以保证淬火工件获得马氏体组织，又要减少变形，防止裂纹产生。因此，冷却是关系到淬火质量上下的关键操作16:1理想淬火冷却速度由共析钢过冷奥氏体等温转变曲线得知，要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度。但是淬火钢在整个冷却过程中并不需要都进行快速冷却。关键是在过冷

20、奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在650400的温度范围内要快速冷却。而从淬火温度到650之间以及400以下，特别是300200以下并不希望快冷。因为淬火冷却中工件截面的内外温度差会引起热应力。另外，由于钢中的比容单位质量物质的体积不同，其中马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小，因此，马氏体的转变将使工件的体积胀大，如冷却速度较大，工件截面上的内外温度差将增大，使马氏体转变不能同时进行而造成相变应力。冷却速度越大，热应力和相变应力越大，钢在马氏体转变过程中便容易引起变形与裂纹。2常用淬火介质工件淬火冷却时，要使其得到合理的淬火冷却速度，必须选择适当的淬火介质。目前生产中应用的冷却介质是水和油。

21、当冷却介质为20的自来水，工件温度在200300时，平均冷却速度为450/s；工件温度在340时，平均冷却速度为775/s；工件温度在500650时，平均冷却速度为135/s。因此，水的冷却特性并不理想，在需要快冷的500650温度范围内，它的冷却速度很小，而在200300需要慢冷时，它的冷却速度反而很大。 冷却阶段不仅零件获得合理的组织，到达所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，是淬火工艺过程的关键环节。又可按冷却方式分为单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。冷却方式的选择要根据钢种、零件形状和技术要求诸因素。图2-3各种淬火冷却的变温曲线示意图曲线1-单液淬火 曲线2-双液淬火

22、 曲线3-分级淬火单液淬火：将工件加热后使用单一介质冷却，最常使用的有水和油两种，其变、温曲线如图2-3中的曲线1。为防止工件过大的变形和开裂，工件不宜在介质中冷至室温，可在200300出水或油，在空气中冷却。单液淬火操作简单易行，广泛用于形状简单的工件。有时将工件加热后，先在空气中停留一段时间，再浸入淬火介质中，以减少淬冷过程中工件内部的温差，降低工件变形与开裂的倾向，称为预冷淬火。双液淬火：工件加热后，先淬入水或其他冷却能力强的介质中冷却至400左右，迅速转入油或其他冷却能力较弱的介质中冷却。变温曲线如图2-3中曲线2。所谓“水淬油冷法使用得相当普遍。先浸入冷却能力强的介质，工件快速冷却可

23、防止钢中奥氏体分解。低温段转入冷却能力较弱的介质可有效减少工件的内应力，降低工件变形和开裂倾向。本工艺的关键是如何控制在水中停留的时间。根据工厂经验，按工件厚度计算在水中停留的时间，系数为0.20.3s/mm，碳素钢取上限，合金钢取下限。这种工艺适用于碳素钢制造的中型零件(直径1040mm)和低合金钢制造的较大型零件。 分级淬火：工件加热后，淬入温度处于马氏体点(Ms)附近的介质(可用熔融硝盐、碱或热油)中，停留一段时间，然后取出空冷。变温曲线如图2-3中曲线3。分级温度应选择在该钢种过冷奥氏体的稳定区域，以保证分级停留过程中不发生相变。对于具有中间稳定区(“两个鼻子)型TTT曲线的某些高合金

24、钢，分级温度也可选在中温(400600)区。分级的目的是使工件内部温度趋于一致，减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。此工艺适用于形状复杂，变形要求严格的合金钢件。高速钢制造的工具淬火多用此工艺。工业生产情况目前实际在工业生产中使用的淬火介质种类繁多，按照不同的分类标准一般可以做如下分类:按照淬火介质的物质形态一般可以分为液体(水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、淬火油、熔融金属、融盐、融碱等)、气体(空气、压缩空气、液化气等)、固体(流态床、金属板等)三大类。按照淬火过程中淬火介质是否发生物态变化可以划分为:发生物态变化的淬火介质，如水、无机物水溶液、有机物水溶液、各种淬火油等;不发

25、生物态变化的淬火介质如气体、熔融金属、融盐、融碱、金属板等。这些常用淬火介质的优缺点如下16：水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质，它廉价易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力很强。通过控制水的温度、提高压力、增大流速、采用循环水、利用磁场作用等，均可以改善水的冷却特性，减少变形和开裂，获得比拟理想的淬火结果。但由于这些方法需增加专门的设备，且工件淬火的性能不太稳定，故未能获得推广应用。所以说，纯水只适合于少数含碳量不高、淬透性低且形状简单的钢件淬火之用。淬火油：用于淬火的矿物油通常以精制程度较高的中型石蜡基油为根底油，它具有闪点高、粘度低、油烟少、油垢少，抗氧化性与热稳定性较好，使

26、用寿命长等优点，适合作淬火油使用。淬火油只适用于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。淬火油对周围环境的污染大，淬火时易引起火灾，需配备必要的清洗、通风和防火平安设施。融盐、融碱：这两种淬火介质的特点是在冷却过程中不发生物态变化，工件淬火主要依靠对流冷却，通常在高温区域冷却速度快，在低温区域冷却速度慢，淬火性能优良，淬透能力强，淬火变形小，根本无裂纹产生，但是对环境污染大，劳动条件差，耗能多本钱高，常用于形状复杂、截面尺寸变化悬殊的工件和模具的淬火。融盐有氯化盐、亚硝酸盐等，工件在盐浴中淬火可获得较高的硬度，且变形极小，不易开裂，通常用作等温淬火或分级淬火。其缺点是融盐易老化

27、，对工件有氧化及腐蚀作用。融碱有氢氧化钠、氢氧化钾等，它具有较大的冷却能力，工件加热时假设未氧化，淬火后可获得银灰色的洁净外表。但融碱蒸汽具有腐蚀性，对皮肤有刺激作用，使用时应注意通风和采取防护措施。目前工业生产中一般出现的裂纹类型、形成条件与预防措施16：1裂纹类型：纵向裂纹 特征：由表及里、深而长。 形成条件：淬透工件易发生，原材料有碳化物带状偏析或非金属夹杂物延伸。 防止措施：控制原材料质量，合理选择预热处理以改善原始组织。 2裂纹类型：网状裂纹 特征：位于工件外表、深度0.012 mm。 形成条件：表层脱碳件、化学热处理和外表淬火工件易出现。 防止措施：采取加热保护，防止脱碳、延缓淬火

28、冷却，降低淬火温度。 3裂纹类型：弧形裂纹 特征：常位于工件角落处，隐于外表层下。 形成条件：易发生于未淬透工件或渗碳淬火件。 防止措施：改变工件设计、截面过渡圆角合理化。 4裂纹类型：剥离开裂 特征：表现为淬硬层剥离。 形成条件：外表淬火件或化学热处理件。 防止措施：合理选择介质，延缓冷却。 5裂纹类型：显微裂纹 特征：在显微组织缺陷处。 形成条件：淬火件高碳马氏体针附近。 防止措施：防止加热过热和晶粒粗大。 3 数值建模的根底研究3.1流场的数学模型水、油和聚合物淬火介质都属于牛顿流体，它们在淬火槽内的运动符合一般流体的运动规律，属于牛顿不可压缩流体运动。为了对淬火槽内流体流动进行数值模拟

29、，首先要建立槽内流体流动的数学模型。所谓物理问题或工程问题的数学模型就是描写这些问题的各种量之间的数学关系，它们一般以微分方程(或积分方程)出现，有时也附以一些代数方程。为了确定这些方程的解还必须给出解的边界条件。这些方程连同解的边界条件一起就构成了数学模型。1连续方程： 3-1 2动量方程： 3-23能量方程： 3-3式3-1、3-2、3-3构成了三个微分型根本方程。3.1.1N-S方程组N-S方程组全称：纳维叶斯托克斯(Navier-Stokes)方程组，是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程组。因1821年由C.-L.-M.-H.纳维和1845年由G.G.斯托克斯分别导出而得名。N-S

30、方程组反映了粘性流体又称真实流体流动的根本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。它是一个非线性偏微分方程组，求解非常困难和复杂，目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解；但在有些情况下，可以简化方程而得到近似解。在计算机问世和迅速开展以后，N-S方程组的数值求解才有了很大的开展。在解释纳维-斯托克斯方程的细节之前，首先，必须对流体作几个假设：第一个是流体是连续的；另一个必要的假设是所有涉及到的场，全部是可微分的。1连续方程17连续性方程又称质量守恒方程： 3-4该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动。源项Sm是从分散的二级相中参加到连续相的质量比方说由于液滴的蒸发

31、，源项也可以是任何的自定义源项。它说明流体从流入到流出，其质量是不变的。 2动量守恒方程17在惯性非加速坐标系中i方向上的动量守恒方程为： 3-5动量定理指出:作用在物体上的合外力的大小等于物体在力作用方向上的动量变化率。3.1.2湍流模型FLUENT 提供了以下湍流模型：1Spalart-Allmaras 模型2k-模型标准k-模型Renormalization-group (RNG) k-模型带旋流修正k-模型3k-模型标准k-模型压力修正k-模型雷诺兹压力模型大漩涡模拟模型综合考虑计算精度和计算本钱，本次研究拟采用标准 k- 模型。该模型是双方程的模型，属半经验公式，主要是基于湍流动能和

32、扩散率。标准 k- 模型的方程湍流动能方程 k 和扩散方程 17： 3-6 3-7其中，方程中Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能。Gb是由浮力产生的湍流动能，YM由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，C1，C2，C3，是常量，k和e是k方程和方程的湍流数，Sk和Se是用户定义的。3.2 FLUENT软件介绍3.2.1软件应用计算流体动力学是建立在经典流体动力学与数值计算方法根底之上的一门新型独立学科。CFD应用计算流体力学理论与方法，利用具有超强数值运算能力的计算机，编制计算机运行程序，数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律的三大守恒定律，及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分

33、方程组，得到确定边界条件下的数值解。它兼有理论性和实践性的双重特点，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。 FLUENT具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。例如，在石油天然气工业上的应用就包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流和管道流动等。他的设计基于“CFD 软件群思想，可针对各种不同流动的特点，采用最正确的数值解法，在计算速度、稳定性、精度等方面到达优化组合， 从而高效地解决各领域的复杂流动计算问题，准确模拟流动、传热和化学反映等物理现象。在现实领域中，CFD计算机模拟作为水力学研究的手段之一，具有以下优点：费用低廉，而且随着计

34、算机技术的飞速进步，这一优点越来越突出；省时高效；可实现对多种复杂物理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟， 比方可以将某一现象单独隔离开来进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行量测相比，计算机模拟所提供的信息量大而丰富。计算机模拟与实验研究相比，具有本钱低、方案变化快、无测量仪器干扰和数据信息完整等优势，可作为模型试验的有力补充，由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方而投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，其会获得越来越多的应用，应用效果也将越来越好。FLUENT软件在我国应用的也很广

35、泛。FLUENT软件在空气流场中的应用已比拟成熟。田铖等18模拟出了地铁上专用轴流风机的内部流场；李磊等19模拟了两种风向条件下截取风速分布和CO质量浓度的分布情况；杨伟等20计算了大气边界层中单栋高层建筑定常风的流场；赵琴21对空调室内的温度场进行了计算机模拟。刘加海等22对二维规那么波进行了计算机模拟；韩龙喜等23在环形水槽中对三维流场进行了计算机模拟。陈群等24采用双方程紊流模型，对阶梯溢流坝流场进行了计算机模拟，得到了溢流坝沿程的自由水面位置、速度大小和分以及阶梯面上的压力等重要流场特性。刁明军等25采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了计算机模拟，得到了射流的空中轨迹线、水垫

36、塘的自由水面和计算域的压力、流速、紊动能及紊动能耗散率分布。杨忠超等26结合向家坝水电工程，采用VOF 法和RNG 紊流模型对多股多层水平淹没射流进行三维计算机模拟，得出中孔和表孔联合泄洪时消力池的流速和紊动能分布。陈云良等27根据某电站进水口1：50 模型试验结果，对进水口流场进行了计算，研究来流、复杂地形边界等对进水口流态的影响。3.2.2软件信息FLUENT采用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间，简化了几何外形的模拟以及网格产生过程。和传统的多块结构网格相比，它可以模拟具有更为复杂几何结构的流场，并且具有使网格适应流场的特点。FLUENT也能够使用适体网格，块结构网格。FLUENT可以

37、在2D流动中处理三角形网格和四边形网格，在3D流动中可以处理四面体网格，六边形网格，金字塔网格以及楔形网格或者上述网格的混合。这种灵活处理网格的特点使在选择网格类型时，可以确定最适合特定应用的网格拓扑结构。网格类型可见图3-1图3-1GAMBIT中的网格类型FLUENT软件的结构组成：1前处理器：GAMBITFLUENT 软件包的前处理器是GAMBIT，GAMBIT具有前处理器建模及网格划分的功能，是进行数值模拟计算前处理器的首选。但是，GAMBIT适合于简单模型的建立，对于复杂模型，可以采用proe、ug等软件进行建模，复杂模型建模完成后，可以导入GAMBIT软件再进行网格划分。网格划分完成

38、后保存dbs文件和输出msh文件。前处理阶段需要用户进行如下操作：定义计算域、绘制简化物理模型、对计算域进行网格划分、定义域边界单元的边界条件。2求解器：FLUENTFLUENT求解是FLUENT的核心局部，数值方法是基于有限体积法。它的求解步骤大致如下：输入网格并检查网格 选择求解器2D 或3D 选择求解方程：层流或者湍流、化学组分或者化学反响；传热模型等 确定流体的材料属性 确定边界类型及边界条件 设置计算中的控制参数、初始化流场 求解计算 保存结果及进行后处理。3后处理器：FLUENT 或TECPLOT后处理的功能包括：计算域的几何模型及网格显示、矢量图如速度矢量图、等值线图、填充型的等

39、值线图云图、XY 散点图、粒子轨迹图、图像处理功能缩小、放大、旋转等、借助后处理功能，还可以动态模型流动效果，直观地了解CFD的计算结果。FLUENT提供三种不同的解格式：别离解；隐式耦合解；显式耦合解。三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。别离解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，别离解是按顺序解，耦合解是同时解。解算器有如下模拟能力：(1) 用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场； (2) 非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形；(3) 不可压或可压流动；(4)

40、 定常状态或者过渡分析； (5) 无粘，层流和湍流；(6) 牛顿流或者非牛顿流；(7) 对流热传导，包括自然对流和强迫对流； (8) 耦合热传导和对流； (9) 辐射热传导模型； (10)惯性静止坐标系非惯性旋转坐标系模型；(11)多重运动参考框架，包括滑动网格界面和rotor/stator interaction modeling的混合界面；(12)化学组分混合和反响，包括燃烧子模型和外表沉积反响模型；(13)热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源；(14)粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合；(15)多孔流动；(16)一维风扇/热交换模型；(17)两相流，包

41、括气穴现象； (18)复杂外形的自由外表流动。 别离求解器原来是FLUENT 4和FLUENT /Uns所用的算法。使用该方法，控制方程是别离解出的。因为控制方程是非线性的还是耦合的，所以在得到收敛解之前，必须进行迭代。下面是对每步迭代的介绍：(1) 在当前解的根底上，更新流体属性如果计算刚刚开始，流体的属性用初始解来更新；(2) 为了更新流场，u，v和w的动量方程用当前压力和外表质量流量按顺序解出；(3) 因为第一步得到的速度可能在局部不满足连续性方程，所以从连续性方程和线化动量方程推导出压力校正的泊松方程。然后解出压力校正方程获取压力和速度场以及外表质量流量的必要校正从而满足连续性方程；(

42、4) 在适当的地方，用前面更新的其它变量的数值解出湍流、能量、组分与及辐射等标量；(5) 当包含相间耦合时，可以用离散相轨迹计算来更新连续相的源项；(6) 检查设定的方程的收敛性；直到满足收敛判据才会结束上述步骤。在FLUENT中，当需要一阶精度时，假定描述单元内变量平均值的单元中心变量就是整个单元内各个变量的值，而且单元外表的量等于单元内的量。因此，中选择一阶迎风格式时，外表值被设定等于迎风单元的单元中心值。离散标量输运方程包括了单元中心的标量的未知值，还包括周围相邻单元出的未知值。一般说来这些方程关于这些变量是非线性的。离散方程的线化形式为： 3-8其中下标nb是指相邻单元，ap和anb分

43、别是和nb的线化系数。每一个单元的邻近单元的数量取决于网格的拓扑结构，但是一般说来都等于围成该单元的外表的数量边界单元除外。在网格中每一个单元都可以写出相似的方程。这样就产生了具有稀疏系数矩阵的代数方程。对于标量方程，FLUENT是用点隐式Gauss-Seidel线化方程求解器与代数多重网格方法AMG连接起来从而解出这个线性系统。由于FLUENT所解方程组的非线性，有必要控制的变化。一般用亚松驰方法来实现控制，该方法在每一部迭代中减少了的变化量。亚松驰最简单的形式为：单元内变量等于原来的值old加上亚松驰因子与变化的积： 3-94 淬火水槽流场CFD模拟计算4.1水槽结构图4-1水槽结构示意图

44、淬火水槽的结构示意图如图4-1所示,其中水槽内径9.2米，高度11米。图中的三个引线代表了水槽主要的结构部件，其中引线1代表了槽体内外部的搅拌泵，它具有上出口和下进口；引线2代表了水槽入口端口；引线3代表了底部环形喷水管部件。目前在实际生产中，水槽入水端口的作用是源源不断输送水流进入水槽内部，以保证拥有足够的水作为淬火介质参与到淬火加工过程中；淬火水槽底部的环形喷水管的设计与安装的目的是为底部的水流形成环形喷射的趋势，并且夹带周围的水流一起参与到淬火主体区域中，水流主体方向是从下往上运动，但喷射口是形成斜角度的环流；搅拌泵主要是利用电机驱动叶轮片搅拌进入水槽内部的水流参与到淬火主体区，同样也是

45、夹带周围的水流一起参与到工件淬火过程中。4.2几何建模和网格划分4.2.1几何建模考虑到实际水槽内结构相对复杂，在不影响计算精度的前提下应对水槽几何建模进行适当简化，如下所述：1水槽槽体，包括水槽壁面，底部外表和自由液面按实际情况处理。2搅拌泵的处理。搅拌器件采用十台螺旋桨，一方面螺旋桨数量较多且形面特征比拟复杂，另一方面螺旋桨始终处于旋转状态，不同时刻流体所占据的几何空间不同，在进行CFD分析时需额外采取相应的处理方法，为此本次计算进行了简化，即只考虑搅拌泵的出入口，而对搅拌泵所在管路及其泵体不予进行考虑。3搅拌泵出入口的处理。搅拌泵出入口设置成速度入口边界条件，速度值根据螺旋桨的轴向循环能

46、力和搅拌泵出入口的面积确定。考虑到搅拌泵下端入口段的管口方向并非径向深入到淬火槽中，而是存在一个扭转角且向上倾斜，相应地从搅拌泵入口段喷射到淬火槽中的流体斜向上沿着4500mm所在圆的切线方向，为此建模时必须对此处细节给予描述，以正确反映流体喷射的实际状况。对于搅拌泵上端的出口段，由于管口方向沿着淬火水槽所在圆的径向方向，为简化问题、减少网格数量，只考虑搅拌泵上端出口段管口断面。4底部入水口的处理。底部入水口的管口方向沿着淬火槽体所在圆的径向方向，为简化问题、减少网格数量，只考虑底部入口段管口端面。5底部环形喷水管的处理。底部环形喷管形状复杂，一个环形管上设置50个竖管，一个竖管上又开有10个

47、支管，且支管口并非对着淬火槽体中心，而是存在一个扭转角且向上倾斜，为此建模时必须对管口倾斜的细节给予描述，以正确反映流体喷射的实际情况。另一方面，如果严格按照实际情况，即环形管、竖管和支管进行建模，势必造成网格数量的骤增，大大增加了计算本钱，且导致收敛工作困难，为此，建模时只考虑支管，而忽略环形管和竖管。6工件按实际情况进行处理，淬火槽内的加工工件是一个筒节型零件，因此在建模时是按照其尺寸进行1:1的建模。最终创立的几何模型如图4-2图4-4所示。需要说明的是，为了能够更好地显示出槽体内部结构，图4-2和图4-3没有对槽体壁面进行显示。图4-2水槽无工件的几何模型和网格划分不显示壁面图4-3水

48、槽有工件的几何模型和网格划分不显示壁面图4-4水槽有壁面的几何结构和网格划分4.2.2网格划分考虑到水槽内的结构相对复杂，采用结构化网格划分比拟困难，所以此次水槽的网格划分采用非结构网格中的四面体单元。相比于传统的多块结构化网格，非结构化网格具有可以模拟更为复杂几何结构的流场，并且使网格适应流场的特点。水槽搅拌泵、入水端口、底部环形、水槽壁面的网格划分图可以参见图4-2图4-4。此外在网格剖分过程中，为了能够使计算结果更加准确，针对搅拌泵出入口、底部入水端口、底部环形喷管、工件等重要外表处进行局部细化处理，针对速度梯度较大的区域采用较为细密的网格。对于底部环形槽入口，44.272 mm上的划分

49、尺寸为size 40，底部环形槽壁面上的划分尺寸也为size 40；对水槽入水端口，400 mm上的划分尺寸为size 150；对搅拌泵上下出入口，500 mm上的划分尺寸为size 150，搅拌泵上下出入口壁面上的划分尺寸也为size 150；工件上下端面的划分尺寸为size 150，内外面的划分尺寸为size 300；其余的划分尺寸为size 300；整体的水槽划分尺寸为size 300。最终生成的单元总数约为332065个。4.3数学模型和边界条件数学模型基于质量、动量守恒的N-S根本传递方程组，并采用标准k-湍流模型描述湍流；其中由于不考虑水槽内部和工件的传热现象，所以这里能量方程不用

50、进行计算。介质物性参数的设置为水，密度为1000kg/m3, 粘度为0.001kg/m-s。主要的边界条件的设置：1淬火水槽底部外表及其圆柱壁面、工件外表等采用壁面边界条件，并按标准壁面函数进行处理。2搅拌泵出入口按流量入口边界处理，根据螺旋桨的轴向循环能力和搅拌泵出入口的面积确定其速度值，其中搅拌泵的循环流量为6666.667t/h；其中由于搅拌泵一进一出，FLUENT软件只有速度入口边界，所以速度一正一负。3底部入水口的底部环形喷管均按质量流量入口边界处理，相应的设定其质量流量为500t/h和2000t/h。在求解控制器设置中压力速度耦合采用SIMPLE模式，压力为标准模式，湍动能、动量方

51、程、湍流离散率的设置均设为一阶迎风格式。4.4 结果分析4.4.1数值结果可靠性验证图4-5图4-7为软件截图获得的效果图。图4-5 底部环形喷管处的速度矢量搅拌泵入口、底部环形水管喷射口 a无工件 b有工件图4-6 有、无工件情况下环形槽内部某一纵截面的流场速度矢量图纵截面为point0, -5.5 ,0 normal 1, 0, 0搅拌泵入口图4-7 搅拌泵出入口附近水槽内的液流对上述各图分析可知，因底部环形喷水管的开口方向决定了水流按照斜向上45喷射，形成环流，夹带周围水流参与到淬火主体区域，图4-5证明了底部环形喷水管建模与边界条件设置的正确性。并且由于水槽底部装有环形喷水管，其流量为

52、2000t/h，同时淬火水槽底部又有入水口作为入水动力源，其流量为500t/h，因此在底部环形喷水管喷口和入水口的速度较高，搅拌泵螺旋桨始终处于旋转状态并以提供动力将水流带动，夹带周围水流靠近并冲击工件。通过CFD计算可以知道，不管在有工件还是无工件情况下，水流速度的分布成类似的对称状态，都是两边速度高，沿着到中心线的方向开始降低；并且由于水流不断的进入水槽内部，不断的将之前的水流排出水槽外部，水流的速度也是由于环形喷水管和搅拌泵的关系以从高到低的规律而存在的，靠近底部环形喷水管位置的水流速度较高，图4-6可以验证上述表述。此外，水槽内搅拌泵入口处的水流出现折流的想象，导致出现涡流，方向为顺时

53、针方向，可见图4-7。这些都验证了CFD模拟与实际情况相吻合。4.4.2无工件、有工件流场分析图4-8图4-10为在无工件和有工件不同情况下水槽内某一纵截面的速度分布。此纵截面为point0, -5.5 ,0 normal 1, 0, 0。图4-8无工件时水槽内速度云图图4-9有工件时水槽内速度云图搅拌泵入口、底部环形喷管喷射口 a无工件 b有工件图4-10 有、无工件情况下环形槽内部某一纵截面的流场速度矢量图纵截面为point0, -5.5 ,0 normal 1, 0, 0通过图4-8和图4-9可以发现，在水槽的两侧速度云图十清楚显，色彩清楚，而与水槽中心内部相比，双方存在明显的差异，色彩

54、形成了强烈的比照。图4-10是两种情况下水槽速度矢量图，其相应的反响出水槽在装有工件时，中心部位的流场与无工件时存在明显的差异，中心部位的水流流速相应减弱；水流从各个喷射口流出，在搅拌泵作用和自身射流速度的影响下，存在一个斜方向向上并逐步向淬火主体区靠近，但是越往水槽中心部运动，速度就越来越小，导致工件在淬火时，内外壁附近的速度不是很均匀。从图4-10可以看到，速度颜色主要分为6种状态，每个颜色所占得区域都不相同；特别可以看到工件内外壁所处的位置附近的颜色呈现出不同的状态，表现出工件受到不同速度水流速度的冲击；整个淬火主体区域的速度存在差异。图4-11为工件附近液流速度三个采集点的位置。图4-

55、11采集速度的点点1速度黑色 点2速度红色 点3速度蓝色图4-12 点1 、点2、点3位置速度点1和点2为外圈的测量点，其差异主要表现在圆周位置的不同，从图4-12的速度分布可以看出，两者的速度在长度方向上没有太大的差异，但是这两个点测量的速度与内圈测量点点3测量的速度存在很大的差异；图4-12三条速度线的比照说明了工件内外壁附近的速度存在不一致的现象，而这一现象将会加大应力的出现的概率。热应力是热处理过程中，钢件的外表和中心或厚、薄交界处因加热、冷却速度不一致即存在温度差导致体积涨缩不均匀而产生的内应力。应力的最终本质是增加了工件品变形，开裂，畸变的倾向。相邻两部位降温速度不同，导致冷却过程

56、的任一时刻比容的差异，相互产生应力。淬火冷却时，变温速度的不均匀性最大，引发的应力也最大。图4-13图4-14为在某一纵截面截取的水槽搅拌泵出入口速度图。搅拌泵出口搅拌泵入口图4-13无工件时水槽内某一纵截面搅拌泵处速度矢量图纵截面为point0, -5.5 ,0 normal 1, 0, 0搅拌泵入口搅拌泵出口图4-14有工件时水槽内某一纵截面搅拌泵处速度矢量图纵截面为point0, -5.5 ,0 normal 1, 0, 0通过图4-13和图4-14可知，不管淬火水槽中有工件还是无工件的情况下，从搅拌泵入口段喷射到淬火槽中的流体的方向是斜向上沿着4500mm所在圆的切线方向；还有在水槽搅

57、拌泵的附近一直存在液流短路的情况，局部参与淬火的水流介质当从搅拌泵的进口喷射出来时，将会沿着水槽内壁附近区域往上运动，且直接从水槽搅拌泵出口流去，没有参与到淬火的工作中，没起到相应的作用。4.5 现有问题总结通过FLUENT软件的模拟计算和上述图片的展示，可以发现现有的大型淬火水槽在设计上存在两个问题：1水槽搅拌泵出入口处存在水流短路的现象，导致一局部水流损失了，加大了不能形成完整环流的概率，未能对提供相同稳定的流速和得到较好的淬火结果起到应有的作用。2工件芯部的水流速度与工件外围的水流速度存在明显的差异，导致工件的内外壁受到不同速度水流的冲击，而淬火槽内不能到达均匀、高速的液流，增加了淬火工

58、件变形，开裂，畸变的几率，以至于最后的淬火结果不能到达理论的要求。4.6 参数附录附录1：有工件情况下ModelsModelSettings Space3D TimeSteady ViscousStandard k-epsilon turbulence modelWall TreatmentStandard Wall Functions Coupled Dispersed PhaseDisabled Boundary ConditionsZones Nameid type fluid2 fluid top3 outflow pumpwall8 wall pumptop7 velocity-in

59、let pumplow9 velocity-inlet inlet10 mass-flow-inlet corosinlet12 mass-flow-inlet wall4 wall bottom5 wall workpiece6 wall coroswall11 wall default-interior14 interiorMaterial Properties Material: fluid 流体(water 水) PropertyUnitsMethodValue(s) Densitykg/m3constant1000 Viscositykg/m-sconstant0.001 Material: solid固体 (steel钢) Property Units Method Value(s) Density kg/m3 constant 2719 Thermal Conductivity .w/m-k constant 202.4 Solver Controls Equations Equation Solved Flow yes Turbulence yes Numerics Numeric Enabled Ab