川崎前锋对名古屋鲸八分析预测:利用Flow Simulation分析真空高壓氣淬爐的氣流運動

真空基礎 宋靜思 沈陽真空技術研究所

大宫松鼠vs川崎前锋 www.lpfxlz.com.cn

  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流運動情況。結果證明:Flow Simulation 不但能夠模擬高壓氣淬時的氣體流動狀況,而且與其它CFD 軟件相比有操作簡化、上手快、學習成本低等特點。特別適合在一線工程師應用于工業設計中,以達到提高工作效率的目地。

  CFD(計算流體力學)軟件是CAE 軟件中的一個重要分支。長期以來因其復雜性而未獲得很好的推廣,尤其在廣大一線機械工程師隊伍中推廣使用范圍還不大。當然其中還有一些其它關鍵因素, 使得CFD 軟件(或者說CAE 軟件中的CFD 功能)未能很好的服務于工業設計。例如,當下幾乎所有的專業CFD 軟件都對中文支持不好,長期沒有中文版,對于一些英語功底不好的優秀工程師來說是一項巨大的學習障礙。其次,很多專業軟件功能強大,但操作很不人性化,不利于工程應用。真空技術網(//www.lpfxlz.com.cn/)認為以目前國內主流的ANSYS ( 其中包含FLUENT)為例,軟件操作不人性化,不符合時代的發展;數據庫不完善,這也大大增加了一線工程應用中的成本。

  Flow Simulation 是世界知名三維設計軟件SolidWorks 中的流體分析插件,可以與SolidWorks進行數據上的無縫鏈接。SolidWorks Flow Simulation 流體仿真軟件去除了一般計算流體力學軟件的復雜性,功能自然不及專業CFD 軟件,但可以讓工程師快捷地仿真對設計至關重要的流體流動、傳熱和流體作用力,模擬真實條件下的流體流動,運行“假設條件”的情況,并快速分析浸潤零部件或周圍零部件上的流體流動、傳熱和相關作用力的影響,解決實際問題,提高工作效率。

1、模擬對象與邊界條件

  利用SolidWorks Flow Simulation 分析VQG- 446真空高壓氣淬爐中的氮氣流動情況,另一方面也探究了Flow Simulation 在實際工程應用的可行性,有利于以后的推廣及使用。

VQG- 446 淬火系統結構簡圖

圖1 VQG- 446 淬火系統結構簡圖

  爐內風冷系統主要由風機、換熱器及風管等組件構成。其中爐內共有12 根風管,每根風管有六個噴嘴。工作時由風機吹出的氣體經風管進入均溫區對工件進行淬火,隨后通過換熱器將氣體冷卻,反復如此,使爐內氣體不斷循環,對工件進行急冷,達到淬火的目的?;箍篩莨ぜ卻淼墓ひ找蠖岳淥僮饕緣鶻?,以適應不同的工況。

  本次模擬的研究對象為爐內氣流瞬態的運動狀況。根據其流動傳熱的特點,對模型做以適當的簡化,忽略瞬態氣體熱交換對氣流的影響。模擬工況及邊界條件盡量選取真實情況的數值進行模擬。

  模擬工況及邊界條件如下:

  (1)淬火工件在400 mm×400 mm×600 mm的均溫區內,淬火氣體為氮氣,工作壓力為0.5 MPa。

  (2)初始溫度為50℃,均溫區為1200℃。

  (3)進口邊界條件:6000 m3/h(1.667 m3/s)風機的鼓風量可以按如下公式進行計算:由風量計算公式:

Q = 900πD22×U2×Φ(m3/h)

  其中Q - 流量(m3/h);D2 - 葉輪葉片外緣直徑(m);U2 - 葉輪葉片外緣線速度(m/s);Φ - 流量系數;

  (4)VQG- 446 采用的是標準9- 26 型風機5#葉輪,所以在標態下的流量可以按上式計算,也可查《風機手冊》獲取數據。因實際情況的不同,在不同原動機的情況下,9- 26 型風機的風量從4793 m3/h 到6762 m3/h 不等??悸塹繳璞傅氖導噬蟅QG- 446 配備了90 kW 大功率電機,進口氣體流量設為6000 m3/h(1.667 m3/s)。

  (5)出口邊界條件:環境壓力0.5 MPa

  (6)爐壁為多層碳氈+ 鉬屏的結構保溫效果佳,在模擬中認為是絕熱壁。

  為了得到更為準確的計算結果,本次模擬的計算域為整個相關模型,未采用1/2 或1/4 區域的模擬方法。這樣也可以衡量Flow Simulation 在處理大量計算時的表現。

2、模擬過程

2.1、使用SolidWorks 建模并適當簡化

  (1) 根據設備的實際尺寸,進行三維建模,再將零件組裝成待分析用的裝配體。根據分析所需的條件及狀態,對模型進行適當簡化,去除與分析不相關的部分。最后經簡化的模型由風管、加熱室及均溫區(以長方體代表)組成;

  (2)由于本次流體分析歸于內流分析,所以整個裝配體要構成一個封閉的空間,故對風管等零件做封口處理,以滿足模擬分析的要求;

  (3)保證整個裝配體內部空間的貫通性,注意干涉。

簡化后待分析的裝配體

圖2 簡化后待分析的裝配體

2.2、Flow Simulation 前處理

  (1)設定邊界條件:通過風管進入的風量為1.667 m3/h,出口環境壓力為0.5 MPa;

  (2)定義熱源:均溫區溫度為1200℃;

  (3) 設定表目標:分別為出口處的平均流速和均溫區表面的平均流速及壓強。

3、Flow Simulation 分析結果

  經過計算機的運算后,我們得到了其分析結果??梢醞ü髦趾蟠砉δ芾炊允萁瀉蟠?,得到想要的數據或圖表。

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觀察到氣體流運狀況。Flow Trajectories 很形象地用線條表示了氣流,用顏色表示流速或氣壓,還可以根據需要調整軌跡數量的多少。

加熱室內部氣流軌跡

圖3 加熱室內部氣流軌跡

均溫區上表面的氣流軌跡

圖4 均溫區上表面的氣流軌跡

3.2、截面圖解

  使用Cut Plots 可以生成某一截面的速度圖解(也可以是其它相關參數),并可以使用矢量功能來指示氣體流動的方向。并且可以通過Probe功能來探測云圖任意點的速度大小(其它參數亦然)。從圖6 中我們可以觀察到截面氣體流速的分布(矢量箭頭大小代表速度快慢)。

上視基準面的截面圖解

圖5 上視基準面的截面圖解 圖6 風管截面圖解

  通過Goal Plots 可以生成針對前處理設定的目標的Excel 表格,其中以表格形式列出了計算的結果并且附上的曲線圖及每次迭代的結果。這些數據對于分析來說是至關重要的。在實際工程模擬中,可以通過數據來為設計做重要參考。

Goal Plots 生成的部分分析結果

圖7 Goal Plots 生成的部分分析結果

4、結論

  (1)通過軟件的分析之后,可以從后處理中得到想要的結果。通過與工程實踐的比較證明了Flow Simulation 在分析VQG- 446 真空高壓淬火爐氣流仿真的適用性,同時也證實了VQG- 446 結構設計的合理性。

  (2)Flow Simulation 與其它CFD 軟件相比具有操作簡單、數據交換性好、功能實用等優點。通過其向導功能可以在短時間內學會使用方法,而且它用功能的實用性代替了專業CFD 軟件復雜性,特別適合一線工程師使用。

  (3) 由于Flow Simulation 是一款入門級CFD軟件,其專業性上明顯不及專業流體分析軟件,對于湍流等模型的分析還有不足之處。

  致謝:感謝工程科技網(//www.engscitech.com/)投稿。