流場計算機模擬在熱處理爐設計中的應用.pdf

1、在熱處理過程中，工件加熱、冷卻的均勻性與化學熱處理滲層的均勻性都與熱處理爐內氣體流動有關，對流體的研究和控制正逐漸成為熱處理行業(yè)新的研究方向。隨著計算流體力學的發(fā)展，計算機模擬正成為研究流場的重要手段。 本文應用計算流體動力學軟件Fluent，建立了一個以風扇作為驅動力的多參考坐標系三維湍流耦合傳熱模型，該模型應用雷諾時均模擬方法，采用κ-ε方程作為湍流模型，旋轉區(qū)域用多參考坐標系模型，計算出風扇內部的氣體流動，提高了這種有旋轉

2、部件的計算精度。針對現有熱處理技術中需要給定換熱系數的局限，本文采用耦合傳熱模型把流體和工件同時作為研究對象來計算溫度場，在流體與工件的界面上熱流密度保持平衡，換熱系數作為計算結果出現，解決了過去計算工件內部溫度場必須知道換熱系數，而換熱系數本身又非常復雜，難于測量的問題。通過用熱球式風速儀測量一個實際回火爐內的氣體流速，對本文的多參考坐標系三維湍流流動模型進行了驗證。通過對氣體橫掠單管換熱系數的測量和高壓氣淬大模塊中溫度曲線的測量，對

3、耦合傳熱模型進行了驗證。試驗和計算結果的一致性，說明了該多參考坐標系三維湍流耦合傳熱模型用于爐內氣體計算的可行性。 利用所建立的多參考坐標系三維湍流耦合傳熱模型，對鐘罩式滲氮爐進行了虛擬設計研究。通過對爐內工作區(qū)域中氣體速度場的分析，確定了上下封頭為橢圓形、風扇葉型為6個長葉片加6個短葉片、下部三段式碟狀導流筒和放射性形狀的料盤；針對爐子上部氣體不均勻的情況，設計了11種不同類型的導流片，最終找出上部最佳的導流安裝方案為三個弧形

4、分流板加一個十字板，使整個工作區(qū)域得到了比較均勻的流場。在流場均勻優(yōu)化的情況下，通過對整個爐子耦合傳熱溫度場的分析，提出了空心法蘭內填充保溫材料的方案，有效的減少了熱量損失；空爐爐溫均勻性符合國家標準，在爐子工作區(qū)域內裝滿爐料的情況下，比較了8種不同的發(fā)熱體設計，得到發(fā)熱體溫度統(tǒng)一采用650℃，頂部發(fā)熱體去掉1/2電阻絲的方案最佳，同時比較了不同實體裝爐方法，最后得到工件不與料盤直接接觸以避免導熱，工件上方加入擋板以減少上區(qū)輻射和對流傳

5、熱的方案，改善了工件溫度均勻性，并擴大了爐膛有效工作空間；此外還給出了控溫與測溫熱電偶從爐底插入安裝在料盤附近的方案.至此，得出了這種井式與罩式混合新型氣體滲氮爐的總體設計. 本文還應用所建立的多參考坐標系三維湍流耦合傳熱模型對熱處理爐中其它案例進行了初步探索。針對現在工程上正在使用的幾種典型熱處理爐作了內部流動和傳熱情況的研究：1)研究了網帶爐不同結構下氣體阻力的分布，通過模擬計算找出了在前室加一塊擋板這種較好的可行方案，結果