（工程热物理专业论文）三层炉辊t6热处理固溶炉横向气流循环的数值分析.pdf

一 、 ， l ad i 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：粟看梅 日期：z g 7 乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：粟舂梅 导师签名： 签字日期： 硼爱7 岁 签字日期： ) 东北大学硕士学位论文 中文摘要 三层炉辊t - 6 热处理固溶炉横向气流循环的数值分析 摘要 本文针对某公司即将设计生产的产品三层炉辊t - 6 热处理固溶炉进行了炉 内气体横向循环流场分布的数值分析研究。该热处理炉将用于汽车轮毂的连续性固 溶处理。因炉内气体流动及流场分布情况将直接影响轮毂的热处理质量，对该炉炉 内气体流场分布的研究具有理论和实际意义。目前对炉内气体流场分布常规的研究 方法是现场测量或模型实验，由于炉子的结构比较复杂，对其进行大量实验测量分 析比较困难。随着计算机技术的发展，借助计算流体力学c f d 为基础的数值分析方 法对其进行流场的分析研究已成为可能，这样不仅可以节省大量的人力、物力，而 且可以大大缩短研究周期。 本文利用c f d 计算软件f l u e n t 对三层炉辊t - 6 热处理固溶炉按1 ：1 比例建 立了三维几何模型，通过采用r e a l i z a b l e k 一湍流模型进行横向气流循环的数值分 析研究，获得了炉内气体流速的分布规律，并根据不同的循环倍率得出炉内流场速 值分布曲线及与不同循环倍率相对应的炉内阻力分布。 本文的研究结果对于同类炉型的风机选择以及热处理炉的优化设计具有一定的 参考价值。 关键词：三层炉辊t 6 热处理炉；流场分布；数值分析：k 一湍流模型 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a la n a l y s i so ff l o wf i e l do fg a si nl a t e r a lc i r c u l a t i o n i nt 6h e a t t r e a t m e n tso l u t i o nf u r n a c e t r a n s p o r t e db yt r i p l e - t i e r e dr o l l e r a bs t r a c t t h i sa r t i c l ea i m st ot h en u m e r i c a la n a l y s i ss t u d yo ff l o wf i e l do fg a si nl a t e r a l ， c i r c u l a t i o ni nt 6h e a t t r e a t m e n tf u r m a c et r a n s p o r t e db yt r i p l e t i e r e dr o l l e rt ob ed e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d t h ef u r n a c ei su s e df o rt h ec o n t i n u o u ss o l i dt r e a t m e n tf o ra l u m i n u m w h e e l s be c a u s et h ea i r f l o wa n dt h ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l dw i l li m p a c td i r e c t l yt ot h e q u a l i t yo fw h e e l st r e a t e d ，t h e r ea r eb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h es t u d y o fd i s t r i b u t i o no fa i r f l o wf i e l di nt h ef u r n a c e a tp r e s e n tt h ef u r n a c eg a sf l o wo f c o n v e n t i o n a lm e t h o d so fm e a s u r e m e n ti st h es c e n eo rm o d e le x p e r i m e n t s f o rt h ef a c t o r s t h a ti m p a c tt h ed i s t r i b u t i o no fa i r f l o wa r ep l e n t i f u la n dc o m p l i c a t e d ，i t sd i f f i c u l tt om a k e e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，w i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc f d b a s e do nt h en u m e r i c a la n a l y s i so f t h e i rf l o wa n a l y s i sh a sb e c o m ep o s s i b l e ，s on o to n l yc a ns a v eal o to fm a n p o w e r ，m a t e r i a l r e s o u r c e s ，a n dc a ng r e a t l ys h o r t e nt h es t u d yp e r i o d i nt h i sa r t i c l e ，s i m u l a t i n ga n da n a l y s i sw a st a k e no nf i e l do fg a si nl a t e r a lc i r c u l a t i o n i nt 6h e a t t r e a t m e n ts o l u t i o nf u r m a c et r a n s p o r t e db yt r i p l e t i e r e dr o l l e rb yt h ec f d c a l c u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n t c r e a t i n gat h e r e d i m e n s i o ng e o m e t r i c a lm o d e la n du s i n g t h er e a l i z a b l ek 一t u r b u l e n tm o d e ls t u d i e ss t u d i e st h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e ra n d a i r f l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n t h ea i rf l o w i n gf i e l da n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i n gr u l ei n s i d e f u r n a c ei sa c h i e v e di n s i d ef u m a c e a n du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ef u r n a c ef l o w d i s t r i b u t i o na n ds p e e dc u r v eh a sb e e no b t a i n e d t h ed i f f e r e n tw i n ds p e e da c c o r d i n gt o r e s i s t a n c ef u m a c eh a sa l s ob e e no b t a i n e d t h i sp a p e r sf i n d i n g ss i m i l a rt ot h ef u r n a c eh e a tt r e a t m e n tf u r n a c ef a nc h o i c ea n d t h eo p t i m a ld e s i g nh a sar e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：t 6h e a t - t r e a t m e n tf u r m a c et r a n s p o r t e db yt r i p l e t i e r e dr o l l e r ；f l o wd i s t r i b u t i o n ； n u m e r i c a la n a l y s i s ；r e a l i z a b l ek ft u r b u l e n c em o d e l 1 1 1 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 热处理技术的简介1 1 1 1 热处理的意义1 1 1 2 热处理技术的相关因素1 1 2 热处理炉简介1 1 2 1 热处理炉的特点一1 1 2 2 热处理炉的分类3 1 2 3t 6 热处理炉的简介4 1 3t 6 热处理炉模拟的现状及意义7 1 3 1 热处理模拟的现状7 1 3 2 本文研究的目的和意义7 第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍9 2 1 计算流体力学概述9 2 1 1 计算流体动力学9 2 1 2 计算流体动力学的计算过程：1 0 2 1 3 计算流体动力学的特点1 0 2 2c f d 的总体计算流程1 1 2 3c f d 软件结构及常用软件1 1 2 3 1 前处理器l1 2 3 2 求解器1 2 2 3 3 后处理器1 3 2 3 4 常用的c f d 软件1 3 2 4f l u e n t 软件1 4 2 4 1f l u e n t 软件简介1 4 2 4 2f l u e n t 软件在我国的应用及应用前景1 5 2 5 本章小节1 5 目录 4 4 结果分析。3 6 4 4 1 初始条件( 6 0 倍的循环倍率) 下炉内流场分布3 6 4 4 2 边界条件( 入口速度和出口压力) 对流场的影响4 5 4 4 3 炉内阻力的计算5 5 第5 章结论5 8 参考文献5 9 致谢6 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 热处理技术的简介 第1 章绪论 1 1 1 热处理的意义 热处理是对金属件在控制条件下加热、保温和在预定的条件下冷却，从而达到 改善材料组织、性能的一种金属加工工艺，它是提高工件质量的重要工序。由热处 理的原理可知，热处理之所以能改善材料组织、性能，是因为材料在加热、保温和 冷却过程中发生了一系列的组织转变。不同的加热、冷却条件会形成不同的组织。 正确控制加热速度、保温时间和冷却速度是热处理工艺的关键，它不仅影响热处理 所形成的组织；同时还由于加热、冷却条件影响工件内的分布和组织转变速度，从 而影响工件内应力的分布，大的内应力存在会导致工件变形或开裂。 热处理工艺的共同特点是尽量使炉内温度分布均匀，炉子升温及冷却温度准确、 工件不变形或少变形，表面不氧化脱碳或少氧化脱碳。其最终目的是改变合金的内 部组织结构，以改善合金的性能。通过适当的热处理可以显著提高合金的机械性能， 延长机械零件的使用寿命。适当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造 成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使合金的组织和性能更加均匀。 据统计，机床零件中需要经过热处理的占6 0 至u7 0 ，汽车、拖拉机零件占7 0 以 上，轴承、刀具、量具、模具则几乎是1 0 0 。而且有些零件在生产过程中要前后几 次经过不同的热处理【1 1 。因此热处理炉是工业炉中对其性能要求最高的一类炉子。 1 1 2 热处理技术的相关因素 现代热处理技术的相关因素2 1 见图1 1 。 1 2 热处理炉简介 1 2 1 热处理炉的特点 ( 1 ) 热处理炉的温度范围大 压力加工前的加热，主要目的是得到塑性好的奥氏体钢；热处理由于工艺要求 不高，温度高的可达到1 3 0 0 ( 2 ，低的只有1 0 0 c 左右。温度相差如此之大，其炉子 一1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 现代热处理技术的相关因素 f i g 1 1m o d e m h e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g y r e l a t e df a c t o r s 一2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 结构也有很大不同。炉温高于6 5 0 的叫高温热处理炉，热量的传递以辐射方式为 主，对流为辐；炉温低于6 5 0 的叫低温热处理炉，热量的传递主要依靠对流方式。 热处理要求炉膛温度均匀，避免局部温度过高，所以热处理炉的炉膛与燃烧室是分 开的。 ( 2 ) 热处量炉的炉温控制比较严格 压力加工前的加热，金属温度波动一二十度，一般对质量没有多大影响。但热 处理炉能否保证热处理工艺所要求的温度，对产品质量有很大影响，一般上下不超 过3 到i o c 。为了达到准确控制温度的目的，最好采用均匀地布置功率小的无焰烧 嘴、平焰烧嘴的办法，这样便于分段控制，烧嘴太少，过于集中，容易出现局部过 热。同时，烧嘴或电热体的布置及炉子结构应有利于炉气的循环，使炉内温度趋于 均匀，为此目的在炉内可采用风扇。 ( 3 ) 热处理炉应尽量减少金属的氧化与脱碳 对钢材的热处理，不允许有表面的氧化与脱碳，应保持表面的光洁。热处理炉往 往需要密封，以便控制炉气成份，有时还要保持炉膛内某种特定的气氛。 ( 4 ) 热处理炉的生产率及热效率低 热处理时，为了使金属断面上温度均匀，使结晶组织转变得完全，需要使金属在 炉内停留较长的时间，不论是那一种热处理，甚至都有一个或几个均热或保温阶段， 冷却过程也往往在炉内进行。有些品种的热处理，甚至要进行多次加热、保温和冷 却。许多热处理炉是周期性作业的。由于以上缘故，热处理炉的生产率和热效率比 轧锻加热炉低得多【3 】。 1 2 2 热处理炉的分类 热处理炉的分类【4 】见图1 2 。由图1 2 可见，按工件周围介质的不同，热处理炉 划分为四类，即膛式炉、浴炉、流动粒子炉及真空炉。 膛式炉的特征是在炉膛的气体介质中进行工件的热处理。这种气体介质可以是 燃烧产物( 完全燃烧或不完全燃烧) ，或是专门制备的可控气体( 或称保护气体) ， 或是空气；浴炉的特征是在液体介质中进行工件的热处理。这种液体介质，或为熔 融的盐类，或为熔融的金属。浸入液体介质中的工件，主要靠对流传热而被加热。 工件在浴炉中加热很快，并不需要专门的搅拌，浴炉中的温度就很均匀：流动粒子 炉的特征是在固体颗粒的流化床介质中进行工件的热处理。具有一定压力的气体透 过分布板向上流动。其流速达到一定数值后，分布板上的微细颗粒便“沸腾 起来， 形成沸腾床，或称流化床；真空炉的特征是在真空中进行工件的热处理。工业用真 - 3 1 章绪论 空炉的真空度，变化在若干毫米汞柱到数十毫米汞柱之间。在这种低压的介质中进 行热处理，金属基本上保持光亮。真空炉中对流传热可忽略不计，炉膛内只靠辐射 传热加热工件。 1 2 3t 6 热处理炉的简介 t 6 是用于对铝合金压铸件( 区别于铸造铝合金) 的一种热处理工艺。t 6 热处 理炉是进行固溶及完全人工时效处理的设备5 1 ，其热处理类别分为淬火和完全人工 4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 时效，该类设备所用的燃料分别为电、液体燃料( 轻柴油) 与气体燃料，使用燃料时， 烧嘴( 若干) 布置在炉体侧面，炉项部设置循环风机( 若干) ，风机卷吸高温气体后由叶 片压出，经导风板进入炉膛，对处理工件实施均匀加热，使处理工件的硬度、强度 等机械特性达到使用要求。整个炉内炉墙均采用轻质材料。从炉墙结构上看，在高 温带工作面为高温耐火纤维制品，外层常根据不同保温层选用不同的硅酸铝耐火纤 维板。在炉墙的最外侧覆盖薄钢板。这样一方面起到保护炉壁及装饰作用，另一方 面可以减少炉墙的辐射散热。采用钢框架结构，使炉墙只用来支撑自身重量，因此， 炉墙使用体积密度较小隔热效果好的轻质耐火材料，从而减少了炉墙的厚度。 本热处理炉的固溶炉升温段由2 0 升至5 3 5 ( 3 ，保温段5 3 5 保温。时效炉升 温段由2 0 。c 升至1 5 5 c ，保温段1 5 5 。c 保温。以此来提升工件的抗拉强度。固溶与 时效处理通常包括以下几个步骤： ( 1 ) 固溶处理 当合金加热至固溶温度时，合金中的第二相将溶入基体而得到单项的q 固溶体， 这种处理称之为固溶处理。将合金加热到固溶线以上保持一定时间，以获得成分均 匀的固溶体组织【6 】。 ( 2 ) 淬火 若温度降到固溶温度以下，固溶体成为过饱和状态，超过平衡溶入量的溶质就 有析出的倾向，在一定条件下，多余的溶质就会以第二相的形式析出，这种现象称 为脱溶或沉淀。若合金自固溶温度以足够大的速度冷却，固溶体就不可能沉淀出第 二相，合金成分为单向过饱和固溶体，这种处理称为淬火。将工件或试样快速冷却 到较低温度( 通常为室温) ，得到过饱和的单相固溶体【_ 7 1 。 ( 3 ) 时效 淬火获得的过饱和固溶体有自发分解，即脱溶过程，大多数铝合金在室温下就 可以产生脱溶过程，这种现象称为自然时效。若将淬火得到的基体为过饱和固溶体 的合金在高于室温的温度下加热，则脱溶过程可能加速，这种操作称为人工时效。 使过饱和固溶体中析出细小弥散沉淀相。 固溶和时效处理是铝合金、钛合金、高温合金、不锈钢和耐热钢等重要的强化 处理手段。它通过淬火获得过饱和固溶体以及通过时效使过饱和固溶体中的溶质脱 溶。随着航空航天及汽车等领域的高速发展，对结构材料提出越来越高的要求。铝 合金、钛合金、不锈钢和耐热钢等结构材料进而得到了更广泛的应用。铝合金结构 材料正向着朝高强度、耐腐蚀、低密度、耐热方向发展。近年来，国内外采用先进技 术发展了一批高强度、高韧性和低密度的高性能铝合金吲，同时在改进固溶和时效 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 工艺方面有很多研究。通过选择合理的固溶和时效处理，以获得高性能的铝合金材 料。 此模拟的三层炉辊t - 6 热处理炉的设备特性如下： ( 1 ) 采用单导环式辊底方式 工件的炉内输送采用辊底方式，从而简略了输送系统。而且与推杆方式相比， 辊底式能够很容易的将炉内工件清空，也提高了炉内的维护保养性。同时炉辊的轴 承采用耐热型，不需要冷却水的冷却。 ( 2 ) 缩短淬火时间 轮毂从固溶炉出料侧送到淬火水槽过程中设有加速机构，以谋求缩短淬火延迟 时间，从物料出炉动作开始，到物料完全没入水中，在2 0 秒以内。通过采用本方式， 削减了牵出装置，开门时间的缩短也可削减冷风的侵入量。而且为了实现既快速又 稳定的淬火，采用了气缸驱动的升降装置。 ( 3 ) 高效节能 采用轻质隔热纤维，固溶炉与时效炉的炉体主要部分均采用性能优越的轻质热 纤维多层结构，减少蓄热量及热量散失。同时采用预热室，固溶炉中设置预热室， 通过燃烧排气进行预热处理，已达到节能目的。为了强化预热效果，设置有专用的 热风循环风机。采用上下式结构，温度较高的固溶炉所产生的高温烟气可以直接用 于温度较低的时效炉；固溶炉与时效炉都采用轮辊直接传送物料，相对于传统的料 筐，能够减少由于料筐的出入而产生的热损失，节约了能量。 ( 4 ) 加热及炉温控制 采用进口烧嘴，点火便捷、燃烧高效稳定、装拆方便。同时采用燃烧通道，固 溶炉和时效炉的所有烧嘴在燃烧前热风循环区域均设置有使燃烧稳定以及防止烧嘴 火焰加热局部高温的燃烧通道( 稳定燃烧及防止局部高温) 。控制方面采用p i d + o f f 控制，空炉升温、稳定连续工作时以及生产线停止、停产时，烧嘴容量具备1 1 1 5 的调节功能。因此固溶炉及时效炉的所有温度控制均为p i d + o f f 控制，可以进行范 围较广的控制。各炉中为了缩短轮毂的升温时间，在升温区采用集中加热方式。为 了防止轮毂的过热，设置了在生产线停止时自动切换温度设定制的互锁程序。 ( 5 ) 性能优越、安全环保 针对不同的区域选定了适当的炉体组合型热风循环风机，以提高传热效率，并 使炉内温度更加均匀，炉内工件实体温差精度可控制在5 度以内。在各炉中均设置 装料门与出料门不同时开启的系统，以减少因同时开启炉门所造成的冷风侵入。而 且，各炉的出料侧区域的热循环风机同炉门动作相配合，通过变频器降低电机的旋 6 东北大学硕士学位论文 转数，防止炉气从炉门开v i 流出，也极力防止外气的流入， 安全以及环境方面的问题。 1 3t 6 热处理炉模拟的现状及意义 1 3 1 热处理模拟的现状 借助计算机将材料学、传热学、弹塑性力学、流体力 知识加以集成，建立定量描述热处理过程中各种现象及其 有可能通过计算机模拟获得对整个工艺过程的规律性认识 制和工艺优化成为可能，并有助于开发创新性工艺和设备 计算机模拟是发展智能型( 知识密集型) 热处理技术的基础 域的发展前沿。 经过各国学者的不断努力，热处理数学模型和计算机模拟研究取得了很大进展， 求解非线性瞬态温度场的数值方法已相当成熟，非等温的连续冷却或加热的相变计 算、温度场一相变耦合模型等研究成果为相变过程的计算机模拟创造了条件。在热 应力与组织应力的计算方面，近年来采用有限单元法和热弹塑性模型，在应变量计 算中考虑了弹性应变、塑性应变、热应变、相变应变和相变超塑性，在塑性区处理 中考虑了屈服模型和应强变化。然而热处理数学模型与计算机模拟技术的生产应用 则进展迟缓，国外至今仍未见其在生产中大规模应用的明确报道。据分析其主要障 碍在于： ( i ) 长期沿用一维或二维模型，而在实际生产中大多属三维导热问题； ( 2 ) 局限于模拟单介质淬火冷却，但生产中常常在冷却的不同阶段变换冷却介 质； ( 3 ) 模拟的精度尚不能令人满意； ( 4 ) 未能与热处理计算机控制技术及热处理设备的设计制造紧密结合9 1 。 1 3 2 本文研究的目的和意义 以被处理工件的热处理质量为前提，热处理过程要求炉内温度分布均匀，同时 力求最低的燃料消耗及最小的金属烧损。为使炉内工件获得均匀、稳定的温度场， 炉内流场的分布必须均匀、稳定。 近年来炉内流场和温度场的分布成为众多研究者的研究对象 1 0 - 1 2 】。对于炉内的 速度场分布问题，常规的研究方法是通过现场测量或模型实验1 3 】，但现场测量的方 7 第1 章绪论 法受炉子操作条件的限制很大，模型实验的方法虽然比较准确，可以从理论上说明 机理性问题，但需建造相似模型，通过大量实验才能解决，需耗费相当大的人力、 物力。而数值模拟在很大程度上能代替模型实验，其不仅可以节省大量的人力、物 力，而且可以缩短研究周期。数值分析方法可以对炉内流场分布进行精确的分析， 其不仅可以准确地描述热处理炉内的流场分布状况，而且可以帮助研究者直观地判 断和分析出造成炉内不合理气流分布的原因，进而找出解决问题的方法，为炉子结 构和操作的改善提供依据【1 4 l ，因此热处理炉炉内流场分析在热处理工艺中占有极其 重要的作用。 本研究采用数值分析的方法，对热处理炉内的流场分布进行三维数值模拟及分 析研究，从炉内的流场分布对温度场分布的影响出发，分析炉内的气流分布规律， 从而进一步分析其对炉内工件加热质量的影响，最终根据数值分析结果得出炉内风 速和阻力的关系，对炉内气流参数与风机的选择加以指导。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 2 1 计算流体力学概述 2 1 1 计算流体动力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。 c f d 的基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场，如速度场 和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替，通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得 变量场的近似值 1 5 - 1 7 】。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的 流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这 些物理量随时间的变化情况。c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成 了研究流体流动问题的完整体系，三者之间的关系1 1 5 如图2 1 所示。 图2 1 “三维”流体力学示意图 f i g 2 1t h r e e d i m e n s i o n a lh i n tf i go fh y d r o d y n a m i c s 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指 导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进 行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数情况才能给出解 析结果。实验测量方法所得到的结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础， 其重要性不容低估。然而实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和精度的限 - 9 东北大学硕士学位论文第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 制，有时可能很难通过实验方法得出结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和 物力巨大耗费及周期长等许多困难。而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点， 在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼 的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：如激波 的运动、强度、涡的生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随 时间变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没什么区别。 2 1 2 计算流体动力学的计算过程 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反映 问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。没有 正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括质量守 恒方程、动量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方 法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条 件的输入、控制参数的设定等，这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解的问 题比较复杂，比如n a v i e r s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数值求解方 法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。正是从这个意义上讲， 数值模拟又叫数值实验。应该指出，这部分工作不是轻而易举就能完成的。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图标等方式显示，这对检查和判断分析 质量和结果有重要的参考意义。 以上这些步骤构成了c f d 数值模拟的全过程。其中数学模型的建立是理论研 究的课题，一般由理论工作者完成。 2 1 3 计算流体动力学的特点 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性 的，自变量多，计算域的几何条件和边界条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方 法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值实验， 例如选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性实验，从而进行方案比 较。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给 出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 中只能接近而无法达到理想的条件。 c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，一来 与物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型， 而最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有 一定的计算误差：第二，它不像物理模型实验，一开始就能给出流动现象并定性的 描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数 学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、整理与正确的利用，在很大程 度上依赖于经验和技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真 实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。当然，某些缺点和局限性可通过某种 方式克服和弥补。此外，c f d 因涉及大量数值计算，因此常需要较高计算机软硬件 配置。c f d 有自己的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、试验观测相互联系、 互相促进，但不能完全取代，三者各有各的适用场合。在实际工作中，需要注意三 者的有机结合，争取做到取长补短。 2 2c f d 的总体计算流程 无论流动问题、传热问题，还是污染物运移问题，无论是稳态问题，还是瞬( 不 通顺) 态其求解过程1 8 1 都可以用图2 2 表示。如果所求解的问题是瞬态问题，则可 将图中的过程理解为一个时间步的计算过程，循环这个过程求解下个时间步的解。 2 3c f d 软件结构及常用软件 所有的商用c f d 软件均包括三个基本环节：前处理、求解和后处理，与之对 应的程序模块有前处理器、求解器、后处理器。 2 3 1 前处理器 前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 用于完成前处理工作。前处理环节是向c f d 软件输入 所求问题的相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面来完 成的。在前处理阶段需要用户进行以下工作： ( 1 ) 定义所求问题的几何计算域 ( 2 ) 将计算域化分成多个互不重叠的子区域，形成由单元组成的网格 ( 3 ) 对所要研究的物理化学现象进行抽象，选择相应的控制方程 ( 4 ) 定义流体的属性参数 ( 5 ) 为计算域边界处的单元指定边界条件 1 】 东北大学硕士学位论文第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 建立控制方程 l 确立初始条件及边界条件 i j 分计算网格，生成计算节点l 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 l 给定求解控制参数】 否 l 求解离散方程 是l 显示和输出计算结果 图2 2 c f d 工作流程 f i g ，2 2f l o wf i go fc f d ( 6 ) 对于瞬态问题，指定初始条件 流动问题的解释在单元内部的节点上定义的，解的精度由网格中单元的数量所 决定。一般来讲，单元越多、尺寸越小，所得到的解的精度越高，但所需要的计算 机内存资源及c p u 时间也相应增加。为了提高计算精度，在物理量梯度较大的区域， 以及我们感兴趣的区域，往往要加密计算网格。在前处理阶段生成计算网格时，关 键是要把握好计算精度与计算成本之间的平衡。 目前在使用商用c f d 软件进行c f d 计算时，又超过5 0 以上的时间花在几 何区域的定义及计算网格的生成上。我们可以使用c f d 软件自身的前处理器来生 成几何模型，也可以借用其他商用c f d 或c a d c a e 软件( 如p a t r a n 、a n s y s 、 i - d e a s 、p r o e n g i n e e r ) 提供的几何模型。此外，指定流体参数的任务也是在前 处理阶段进行的。 2 3 2 求解器 求解器的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限元、 谱方法和有限体积法等。总体上讲，这些方法的求解过程大致相同，包括以下步骤： ( 1 ) 借助简单函数来近似待求的流动变量 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 ( 2 ) 将近似关系代入连续型的控制方程中，形成离散方程组 ( 3 ) 求解代数方程组 各种数值求解方案的主要差别在于流动变量被近似的方式及相应离散化过程。 有限体积法是目前商用c f d 软件广泛采用的方法。 2 3 3 后处理器 后处理器的目的是有效地观察和分析流动计算结果。随着计算机图形功能的提 高，目前的c f d 软件均配备了后处理器( p o s t p r o c e s s o r ) ，提供了较为完善的后处理 功能，包括： ( 1 ) 计算域的几何模型及网格显示 ( 2 ) 矢量图 ( 3 ) 填充型的等值线图( 云图) ( 4 ) x y 散点图 ( 5 ) 粒子轨迹图 ( 6 ) 图像处理功能 借助后处理功能，还可动态模拟流动效果，直观地了解c f d 的计算结果。 2 3 4 常用的c f d 软件 为了完成c f d 计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复杂 性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而 c f d 本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于被制成通用的商用软件。 自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 等多 个商用c f d 软件，这些软件的显著特点是： ( 1 ) 功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题。 ( 2 ) 具有比较易用的前后处理系统和与其他c a d 及c f d 软件的接口能力， 便于用户快速完成造型、网格划分等工作。同时，还可以让用户扩展自己的开发模 块。 ( 3 ) 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。 ( 4 ) 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界正发挥着越来越大的作用。 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 2 4f l u e n t 软件 f l u e n t 是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格程序， 对相对复杂的几何结构网格生成非常有效19 1 。 2 4 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 软件是个工程运 用的c f d 软件，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，在 计算速度、稳定性和精度方面达到最佳。可以计算流场、传热和化学反应2 0 1 。其思 想实际上就是做很多模块，这样只要判断是哪一种流场和边界就可以拿已有的模型 来计算。由于囊括了f l u e n td y n a m i ci n t e r n a t i o n a l 比利时p o l y f l o w 和 f l u e n t d y n a m i ci n t e r n a t i o n a l ( f d i ) 的全部技术力量( 前者是公认的在粘弹性和聚合物流动模 拟方面占领先地位的公司，而后者是基于有限元方法c f d 软件方面领先的公司) ， 因此f l u e n t 软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动；层流( 包括 各种非牛顿流模型) ；紊流( 包括最先进的紊流模型) ：不可压缩和可压缩流动；传热； 化学反应等等 2 0 】。因此，f l u e n t 被认为是前功能最全面、适用性最强广、国内 使用最广泛的c f d 软件之一。f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以 使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具 有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况 对网格进行修改2 。 f l u e n t 的软件由经下几个部分组成2 2 】： ( 1 ) 前处理器：g a m b i t 用于网格的生成，它是具有超强组合建构模型能力的专 用c f d 前置处理器。 ( 2 ) 求解器：它是流体计算的核心。f l u e n t 6 2 1 6 是基于非结构网格的通用 c f d 求解器 ( 3 ) 后处理器：f l u e n t 求解器本身就带有比较强大的生处理功能。另外， t e c p l o t 也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要 求比较高的用户来说是一个理想的选择 f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下 流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流河可压流计算、层流和湍流模拟、传 热和热混合分析、化学组分混合反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、 1 4 东北大学硕士学位论文第2 章c f d 及计算软件f l u e n t 介绍 多孔介质分析等。他的湍流模型包括k 一模型、标准壁面函数、双层近壁模型等。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面边界 条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随 空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。f l u e n t 提供的用户自定义子程序功 能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源 相，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多孔介质模型 等。 2 4 2f l u e n t 软件在我国的应用及应用前景 近些年来，我国在f l u e n t 软件的应用方面已经取得了初步的进展，西安交通 大学动力工程多项流国家重点实验室、清华大学能热工程系、中国科学院广州能源 所、同济大学热能工程系等单位分别利用f l u e n t 在流动、传热、燃烧以及污染物 的扩散的研究方面取得了一定的成果。 f l u e n t 软件在我国已经获得较好的应用。由于其减少了研究者在计算方法、 编程、前后处理等方面投入的重复、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，其必然会获 得越来越多的应用，应用效果也必将越来越好2 3 1 。 2 5 本章小节 ( 1 ) 介绍了c f d 软件的特点、计算求解过程及软件结构。c f d 软件所涉及的专 业领域范围很广，其流程简明，操作简单易懂。 ( 2 ) f l u e n t 提供了灵活的网格特性，对流体流动等问题能进行有效的模拟和求 解，计算结果的后处理能力十分强大。具体可在g a m b i t 中创建几何模型和网格模型， 然后通过f l u e n t 设定一系列参数并进行求解，最后由o r i g i n 完成可视化操作。 - 1 5 东北大学