（机械电子工程专业论文）重轨轨端风冷淬火流场的数值模拟研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 我国经济的高速增长对铁路运输的发展起到了强大的推动作用，要求重型铁轨可以承 载运货量日益增大的火车，因此，钢轨轨端的热处理技术得到越来越多的重视。淬火冷却 方式是重轨热处理最关键的工艺，同时也是重轨淬火质量的主要影响因素之一。目前国内 外在铡轨的冷却工艺方面绝大部分采用喷雾冷却和喷风冷却。由于喷雾冷却淬火工艺控制 要求严格，对钢轨表面状态敏感，因此质量问题时有发生。喷风冷却速度波动范围较小， 对重轨表面状态不敏感，人为影响因素少，可以保证淬火的质量。目前国际上已普遍采用 风冷淬火技术，国内的大部分淬火生产线已改建为风冷淬火线。因此，有必要研究喷风头 流域内流场、风冷淬火下温度场的分布规律，以便为实际生产做出指导。本文以6 0 k m 重 轨和喷风头作为研究对象，通过有限元软件f l u e n t ，对重轨轨端的风冷过程进行数值模 拟。模拟结果与相关试验结果吻合良好。 首先，对于风冷过程中的喷风头的流场进行模拟。对于入风口压力为0 4 m p a 的喷风头 的内部、外部流场进行仿真，分析重轨表面的空气流速。然后，分析了喷风头与重轨踏面 距离为1 0 m m 、1 5 m m 、2 0 r a m 时的重轨表面气流速度，结果说明1 0 m m 的距离是三种情况中 的最佳选择。 其次，通过设定风冷的表面换热系数，对重轨风冷过程中的温度场进行数值模拟。在 此过程中，充分考虑了材料的物性参数随温度变化情况的影响。模拟过程中得到重轨的瞬 时温度分布，相关试验结果表明模拟是正确的。 最后，根据u 7 1 m n 钢的c c t 曲线得到其相变温度，由关键节点的降温曲线计算了重轨 轨端在相变点的冷却速度，然后通过对比各组织的临界冷却速度，对重轨轨端最终的淬冷 组织进行预测。相关试验结果表明预测结果是正确的。 本文模拟了喷风头的内外部流场、重轨表面的流场和重轨在风冷过程中的温度场并 通过经验公式和c c t 曲线图计算了重轨的最终淬冷组织。整个模拟结果是准确的，生产中 可以通过此方法来对喷风头的尺寸参数进行研究、预测重轨的淬火组织，更好的指导工艺 改进和现场生产。 关键词：重轨轨端；风冷淬火；数值模拟；温度场；组织场 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a se c o n o m yo fo u rc o u n t r yi sd e v e l o p i n ga tah i g hs p e e d ，t h er a i l w a yt r a n s p o r ti sr e q u i r e d t od e v e l o p ed e e p l y t h eu s eo fh e a v yr a i lc a l lm e e tt h ed e m a n do fl a r g ea m o u n to fl o a d ， t h e r e f o r eh e a t - t r e a t m e n to fr a i le n di sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee m p h a s i z e d q u e n c hc o o l i n g t y p ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt r e a t m e n t si nh e a v yr a i lh e a t t r e a t m e n t s ，a n di ti sa l s oam a j o r f a c t o ri n f l u e n c i n gq u e n c h i n g q u a l i t y t h et y p eo fa t o m i z e c o o la n da i r - c o o la l ew i d e l yu s e di n t h ew o r l dn o w b e c a u s ea t o m i z e c o o lq u e n c ht r e a t m e n ti ss t r i c t l yr e q u i r e di nc o n t r o l l i n ga n d s e n s i t i v et or a i ls u r f a c es t a t e ，t h e r ei ss o m e t i m e ss o m e t h i n gw r o n gw i t ht h eq u a l i t y w h i l et h e v e l o c i t yo fa i r - c o o lt r e a t m e n tw a v e sl i t t l e ，w h a t sm o r e ，a i r - c o o lt r e a t m e n ti sn o ts e n s i t i v et or a i l s u r f a c es t a t e ，i n f l u e n c e dl i t t l eb ya r t i f i c i a lf a c t o rt h a te n s u r et h eq u a l i t yo f q u e n c h a i r - c o o lt r e a t m e n ti sr e c e n t l yu s e di nt h ew o r l d ，w h i l em o s tq u e n c hp r o d u c t i o nl i n e sa r e c h a n g e dt oa i r - c o o lq u e n c h i n gl i n e a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t yo ft h ea i r - j e tf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l du n d e ra i r - c o o l i n gt os u p p o r tt h e p r o d u c t i o n a s6 0 k g mh e a v yr a i la n da i r - j e tw e r er e s e a r c h e d ，a i r - c o o l i n gp r o c e s so fh e a v yr a i l w a ss i m u l a t e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef l u e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sc o n s i s t e n t w i t ht h et h e o r e t i cr e s u l t f i r s t l y , a i r - j e tf l o wf i e l do fa i r - c o o l i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e d w h i l et h ep r e s s u r eo fa i r i n l e tw a s0 4 m p a , i n n e ra n do u t e rf l o wf i e l d so fa i r - j e tw e r es i m u l a t e d ，a n da i rf l o wv e l o c i t yo f r a i ls u r f a c ew a sa n a l y s e d t h e n ，t h ea i rf l o wv e l o c i t i e sw e r ea n a l y s e dw h e nt h ed i s t a n c e s b e t w e e na i r - j e ta n dr a i l 仃e a dw e r e10 m m ，15 r a m ，a n d2 0 m m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h o i c e o flo m ma m o n gt h et h r e ec o n d i t i o n sw a st h eb e s tc h o i c e s e c o n d l y , t h r o u g hs e t t i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fr a i ls u r f a c ei na i r - c o o l i n gp r o c e s s ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fa i r - c o o l i n gq u e n c ho fh e a v yr a i lw a sn u m e r i c a ls i m u l a t e d i nc a l c u l a t i n g p r o c e s s ，v a r i o u sp h y s i c a lp a r a m e t e r st h a tc h a n g e db yt e m p e r a t u r e sw e r ef u l l yc o n s i d e r e d t h e t e m p e r a t u r ei n s t a n td i s t r i b u t i o nw a sc a l c u l a t e di ns i m u l a t i o n r e l a t i v et e s t ss h o w e dt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sr e a s o n a b l e f i n a l l y , t h ep h a s ec h a n g i n gt e m p e r a t u r eo f s t e e lu 7 l m n w a sg o tb a s e do ni t sc c tc u r v e s t h r o u g hc o o l i n gc u r v e so fs e v e r a lk e yp o i n t s ，t h ec o o l i n gr a t ea tp h a s et r a n s i t i o np o i n tw a s c a l c u l a t e d b yc o m p a r i n gw i t he v e r ym i c r o s t r u c t u r e sc r i t i c a lc o o l i n gr a t e ，t h ef i n a lc o o l i n g m i c r o s t r u c t u r ew a sp r e d i c t e d r e l a t i v et e s t ss h o w e dt h a tt h ep r e d i c t i o nw a sr e a s o n a b l e t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ei n n e ra n do u t e rf l o wf i e l do fa i r - j e t , f l o wf i e l do fh e a v yr a i l s u r f a c e s ，t e m p e r a t u r ef i e l do fh e a v yr a i lu n d e rc o o l i n gp r o c e s s , a n dc a l c u l a t e df i n a lc o o l i n g m i c m s t r u c t u r eo fh e a v yr a i lb a s e do nt h ee m p i r i c a lf o r m u l a t i o na n dt h ec c t t h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o r r e c t i na c t u a lp r o d u c t i o n ，t h em e t h o dc a nb ea p p l i e dt or e s e a r c h t h ep a r a m e t e r so fa i r - j e i a n dp r e d i c tt h eq u e n c h i n gm i c r o s t r u c t u r e , i no r d e rt o g u i d et h e i m p r o v eo f t e c h n o l o g ya n da c t u a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：t h ee n do fh e a v yr a i l ；a i r - c o o l i n gq u e n c h i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t e m p e r a t u r e f i e l d ；p h a s ef i e l d 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着我国经济高速稳步的发展，钢铁产业飞速向前推进。目前，武广高铁、各地城际 铁路的相继建成，我国的钢轨行业遇到了前所未有的重大机遇。但是，机遇就意味着挑战， 标志着高质量、严要求。如何在新世纪的快速发展中使钢轨行业更上一个台阶，成为目前 所关心的重要话题。 铁路运输的承运量与日俱增，要求火车的载重量和行驶速度得到提高。于是，火车对 钢轨的挤压和冲击随之提高，轻型、标长的钢轨已经无法满足当前铁路发展的要求。因此， 目前的铁路行业普遍要求重轨的无缝化，这种钢轨的特点如下： 1 ) 重轨的横截面大出轻轨许多，所能承载的力得到很大提升，达到可以使火车承受 更多负载的目的； 2 ) 无缝线路的接头相对于普通的线路有很大的减少，不仅减少了一些接头零件的使 用量和线路工人的工作量，而且降低了火车在接缝处的振动次数，另外也降低了噪声； 3 ) 相对于普通线路，无缝线路在其长钢轨段内不存在轨缝，因此从一定程度上减少 了车轮对于钢轨接头的冲击次数，保证了火车更加平稳的运行，使旅客感觉更加舒适： 因此，无缝化重型铁轨的研究成为了轨道现代化道路上的重要研究课题。6 0 k g m 的 u 7 l m n 重轨已经成为我国铁路建设中大量使用的型号之一，因此，提高u 7 1 m n 重轨的各 种性能将对我国的铁路建设具有极其重要的意义。 重轨轨端淬火技术是在重轨处理中的一项重要环节。轨端淬火是提高重轨物理、化学 性能的最后手段，轨端淬火质量的高低将直接影响重轨成品的最终性能，而轨端淬火主要 是对重轨轨头淬火，从而改善轨头的组织性能，增强其强度和韧性。因此，尽可能提高重 轨轨头淬火质量在整个重轨生产过程中具有非常重要的意义【i 】。 重轨的轨端淬火过程是一个极其复杂的工艺，通常可以分为雾冷、风冷、水冷三种方 式，它们的特点如下： 1 ) 雾冷过程中，会时常出现导热性能不稳定和热能挥发出现紊流的情况： 2 ) 风冷过程中，重轨所在环境的湿度总是不断变化的： 3 ) 水的导热性能是最好的，但是在水冷过程中，水很难挥发，并且状态不是非常稳 定。 因为喷风冷却过程中降温速度波动较小，并且人为因素影响相对较少，所以在整个工 艺过程中，重轨的淬火质量得到稳定的提高。目前全球在淬火工艺上通常都采用风冷淬火， 相比之下，国内已有部分企业的淬火生产线逐渐采用风冷淬火生产线。使用风冷淬火后， 重轨的硬度和强度都得到了相应的提升。因此，应该对风冷淬火下重轨流场和温度场的分 布规律进行相关的研究。 用物理模拟方法对风冷过程进行研究具有一定的局限性，原因如下：原理相近的物 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 理模型无法实现：在小工件上所得到的实验结果应用到真实尺寸的工件上时可靠性不 大：实验过程都处于高温状态，给测量工作带来很大的难度，结果的真实性也受到严重 影响。因此，目前的大部分热处理工艺只能建立在定性分析的基础上，实际生产中靠经验 来解决问题。这种解决问题的方法已经不能达到新世纪重轨发展的要求，我们需要寻找新 的研究方法。 随着计算机产业的高速发展，很多应用型的软件应运而生，使得我们的研究方法更加 多元化、精确化。计算机的数值模拟可以对流场、温度场进行耦合计算，给出稳态时的流 场信息和每一瞬间的温度场、应力场的信息，这让现场的热处理过程变得更加的直观、精 确、全面。数值模拟还可以预测热工艺的结果是否满足相关的参数要求。因此，数值模拟 可以为我们提供一种工艺处理的研究方法，使工艺的流程在更加科学的指导下完成。 本文的研究工作得到武汉科技大学绿色制造于节能减排科技研究中心开放基金“重轨 淬火过程节能降耗的控制方法研究”( 2 0 1 0 8 1 0 0 4 ) 的资助。 1 2 淬火风冷过程的计算机模拟 在重轨淬火风冷的数值模拟过程中，流场将直接影响到重轨的温度场。可以说，重轨 淬火风冷过程是流场、温度场、应力场耦合的过程，它们中间的耦合过程如图1 2 所示2 1 。 图1 1 淬火风冷过程的流场、温度场、组织场合应力场的耦合关系 如图所示：重轨温度对流场的作用。重轨在风冷时，热量从重轨传递给重轨表层 的空气，空气的热物性参数随温度发生变化，从而影响流场的变化；( d 空气的流场对重 轨表面温度场的作用。空气的流动，带走重轨表面的热量；( d 应力场对于温度场的作用。 热应力作用下，重轨因变形而产生的变形功转化为热能，影响重轨的温度分布；( d 温度 场对应力场的作用。由于重轨内部的温度分布不同，温度引起的这部分的形变不同，产生 不同的热应力：组织场对于温度场的作用。作为内热源的相交潜热会影响温度场的重 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 新分布；( 蓟温度场对组织场的作用。温度的变化情况会引起组织的转变；( d 组织场对应 力场的作用。重轨组织转变造成体积改变的不同步性，因此在重轨内部产生组织应力和应 变：应力场对组织场的作用。应力作用会使重轨改变等温转变时间和结束转变时间， 以及产生相变塑性等。 重轨淬火过程的计算机模拟，就是分别对淬火介质流场、淬火温度场、显微组织场和 应力场进行模拟并进行耦合，以分析他们相互作用的结剿3 1 。 ( 1 ) 喷风头流场的计算机模拟 在淬火过程中，介质的淬火强度跟介质有很大的关系，也影响淬火的效果。本文采用 的风冷方式中，喷风头的内、外部的流场直接影响到淬火的效果。通过对喷风头内、外流 场的模拟计算，有利于喷风头有关参数的设计，以获得更适合于淬火的可调控的流场，又 能够为研究冷却强度、换热系数以及重轨的温度场、应力场提供保障。 ( 2 ) 重轨风冷过程温度场的计算机模拟 通过对于重轨温度场的模拟，能够得到整个降温过程中任意时刻的重轨温度分布情 况，温度可以具体到重轨内部任意一个面、一个点的温度，可以准确的反映出重轨的温度 情况。 温度的模拟过程可以直观的反映出某一瞬间、某一位置的温度情况是否合乎要求，更 重要的是，整个重轨内部的温度分布情况可以预测和验证现场的生产情况是否符合要求， 并可以通过对于参数进行调整来达到控制降温过程的目的。 ( 3 ) 重轨淬火应力场的计算机模拟 重轨在冷却的过程中，由于表面的温度降低速度高于内部的降温速度，因此造成相邻 部分存在温度差，这就造成温度相对高的部分产生压应力、温度相对低的部分产生拉应力， 重轨的内部则生成热应力。 热处理过程中对应力场的模拟计算和冷却速度、加载情况、变形、应力和相变等因素 相关。整个计算过程耦合了瞬态的温度场、应力场和相变之间的作用，能较为准确的预测 出风冷过程中重轨内部组织、形变。 1 3 高压气体淬火的发展现状和发展趋势 1 3 1 国外淬火过程的发展现状 由于国外在有限元仿真领域的研究起步较早，相关技术领先国内的热处理领域。早在 上世纪9 0 年代中期，在我国进口日本、法国、奥地利及俄罗斯的淬火钢轨中经过研究发 现：钢轨的淬火工艺采用离线欠速淬火工艺，只对轨头进行加热和冷却的处理，以达到获 得较高的强度和硬度的目的。分析还表明，这种钢轨虽然在小半径曲线上表现出了较高的 抗磨耗性能，但其在直线段上当通过4 5 亿t k m 时，钢轨的踏面会出现隐伤、斜裂纹、 剥离掉块等较严重的滚动接触疲劳缺陷；俄罗斯的钢轨淬火工艺为淬火加回火工艺，钢轨 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 的全断面经过加热和冷却处理后使得滚动接触疲劳伤损较轻；进口的淬火钢轨所出现的斜 裂纹大部分出现在轨距角处，与其行车方向一般呈4 0 三5 0 。并向行车方向发展【4 j 。 国外在二十世纪七十年代就已经启动了高压气体淬火设备的研究工作，并同时开展了 高压气体淬火技术的研究，在八十年代进行了大范围推广使用后在热处理晃获得成功。在 近二十年来，在压力低于1 0 5 p a 的气体淬火的丰富经验的基础上，成功的研究出压力高于 1 0 5 p a 的气体淬火技术。现在，国外气体淬火的气体压力已经可以达到2 1 0 6 p a 以上l 川。 在1 8 8 3 年瑞典工程师拉瓦尔( d e l a v a l ) 研究发现，当有足够压力的蒸汽在先收缩 后扩张到喷孔上时可以获得很高的气体流速，并把这种类型的喷孔叫做拉瓦尔喷孔。后来 拉瓦尔喷孔被广泛的运用于淬火过程的风冷阶段，在淬火行业中具有历史性的意义。 日本南条敏夫研究了影响气体淬火真空炉的冷却速度的有关因素，并且从传热工程学 的角度作出了简要的说明，最终提出了如何提高淬火冷却速度的方法。 澳大利亚i e l l ( a m m y t 6 】通过计算流体力学的相关方法，运用软件对h 1 3 模具高压气体 的淬火过程温度场进行仿真模拟，获得的研究结果与实验结果作了对比分析，取得了一定 的研究成果。 美国z l i t 7 】运用响应面的方法，通过计算获得了高压气体淬火过程中的表面换热系 数，然后对于高压气体淬火后的材料性能进行了分析。 1 3 2 国内淬火过程的发展现状 近些年来，国内的研究学者们对钢轨的淬火方面进行的大量的研究分析，特别是在目 前正处于将水冷、雾冷等冷却方式改为风冷的特殊阶段，国内展开了大量围绕着风冷的研 究。华南理工大学的黄鹏在结合f e p g 程序的v c + + 转换工具，开发了基于f l u e n t 和 f e p g 的高压气体淬火过程的数值模拟软件，并用其模拟金属淬火过程中流场、温度场， 以及金属内部的热应力和热应变的变化过程瞵j 。 明平剑基于两相流体力学和流固耦合传热建立了流动与传热方程，推导出了计算模型 并结合软件f l u e n t 进行了用户子程序( u d f ) 设计，并对影响流动和沸腾传热的几个 因素进行了数值研究【9 】。 清华大学的罗筠通过计算流体力学的方法对工件气体淬火过程进行了数值模拟，并在 f l i 旧们平台上建立了真空高压气淬炉的三维非稳态模型，模拟了炉膛内流场和工件温 度场的分布，模拟了圆柱形单工件淬火过程气体类型、气体压力和速度对冷却速度的影响， 并模拟了多工件淬火冷却过程，为气体淬火工艺的优化提供了理论依据i lo j 。 程赫明】f 1 2 。3 1 运用有限差分原理和实验研究详细分析了钢在高压气体淬火情况下 的非线性导热问题，然后研究了表面综合换热系数的有关问题，同时考虑了相变产生对于 结果的影响。 武汉科技大学杨金堂针对重轨轨端淬火过程进行了模拟仿真，分析了相变潜热对温度 场的影响，最后通过软件a n s y s 模拟出轨端淬火的温度场和组织场l l 6 j 。 张伟旧通过实验的方式，在真空高压气体淬火炉中对钢3 0 0 m 进行了热处理，然后 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 分析了其力学性能、冷却速度等特点，并把实验结果同油淬进行了相应比较。 王宝副1 8 】、宋晓平1 1 9 针对气体淬火过程中影响冷却速度的相关参数进行研究，分析 了淬火介质采用混合气体时的冷却情况。 卢志文【2 0 1 、温树德【2 1 1 运用计算流体力学的方法，在计算机上建立真空炉高压气体 淬火的几何模型，模拟出了高压气体淬火的过程，并且分析了真空炉各个重要工艺参数对 于淬火工艺的影响。 总体看来，我国目前的淬火过程的相关技术和国外相比还是存在一定的差距，但是高 压气体淬火数值模拟的研究还是一个比较新的研究领域，我们需要做的研究工作还有很 多。 1 3 3 淬火工艺的发展趋势 洪海峰、蔡庄厚、董平禹设计出拉瓦尔喷孔，并用其获得均匀一致的超音速气流。他 们针对普遍认为的风冷比雾冷冷却速度低的观点，提出了通过设计风速较高的孔型和减少 风板距轨面的距离来提高冷却速度，同时建议今后进一步研究减少孔径、加密布局的风板 的冷却能力和节能效果。他们的研究还指出，风孔在风板尾部的分布位置有待研究，以强 化喷风板末端的冷却速度和改善轨头中线硬度值的均匀递减问题【2 2 1 。 目前，针对小工件的真空淬火在一些地方已经展开了应用，它具有的特点是可对加工 成形的零件直接进行淬火处理，生产出的产品不但变形小、氧化少、质量稳定而且效率 高。因此，真空淬火已经成为中国航天科技集团公司热处理生产中重点攻关课题。 1 4 高压气体淬火的特点 在气冷、水冷和雾冷三种淬火方式中，虽然气体淬火的淬火速度比另外两种方式低， 但是气冷具有它的优点：表面不易氧化、不易增碳、淬火的均匀性较好、工件的变形率很 小、生产效率高、环境污染较小，易于控制淬火工艺参数掣2 3 】【2 4 1 。 1 4 1 影响高压气体淬火的主要因素 高压气体淬火的的传热原理为：淬火部件中的热量通过直接辐射到冷壁上的热传递和 淬火介质( 此时介质为气体) 流动的对流传热带走，这里对流传热起主导作用。因此，高 压气体淬火是包含了淬火部件内部的热传递、气体的流动传热、淬火部件和气体表面的表 面换热，同时还包括热辐射。高压气体淬火的传热过程是一个集热传导、热对流和热辐射 等的综合传热过程。 1 4 2 工件与淬火气体的温度差 设定工件在淬火之前的温度为五，淬火、冷却后的最终温度为瓦，那么工件从淬火之 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 前的温度五冷却到最终温度正的时间f 表示为： f ：m c pi n 生至( 1 1 ) 叭 2 ；一? 式中：m 淬火工件的重量，单位为k g ； q 淬火工件材料的定压比热容，单位为s l ( k g , c ) ： u 总传热系数，单位为形( 研2 ) ； 彳淬火工件的表面积，单位为所2 ； 弓淬火气体的温度，单位为。 从上式可以说明，为了提高冷却速度可以尽可能的降低淬火气体的温度。若已经设定 了淬火气体的温度，则只能依靠改变鲁中的各个参数使冷却的速度得到提升。 1 4 3 总传热系数 高压气体淬火的总传热系数u 表示【6 5 1 为： u ：l 一 ( 1 2 ) i h + d 汜a p 式中： 办表面综合换热系数，单位为形( 所2 ) ； d 部件的直径或厚度，单位为脚； 以部件的导热率，单位为w i ( m - c ) 。 公式1 2 表明，高压气体淬火的总传热系数主要取决于两个因素：气体的表面综合换 热系数厅和固相传热项( 2 厶d ) 。一般情况下，j i i 2 乃d ，所以气相传热起主导作用。 相关的文献表明【2 s - 2 9 l ，高压气体淬火时的表面综合换热系数h 与气流的流速和压力等工艺 有关，若想提高总传热系数u 可以通过提高h 来实现。如果淬火部件的尺寸较大( d 值较 大) 或者是淬火部件的传导性差( 以值较小) ，则淬火部件的导热将由传热过程决定， 这样一来，即使是通过改变气体或者增大气体流速。以此来达到提高气相传热系数h 的目 的。也很难有效的提高总的传熟系数。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 4 4 淬火气体的种类 淬火气体的不同会影响到淬火冷却的速度。当然在考虑气体选择的问题上还必须考虑 到淬火设备的特性、淬火气体的安全问题和经济因素等。目前用于高压气体淬火的气体主 要由氢、氦、氮、氩和空气。文献还指出，氢、氦、氮、氩四种气体的相对冷却率依次降 低，它们的传导系数分别为1 6 8 、1 2 8 、2 3 7 、1 6 3 ( x1 0 五w ( m ) ) ，他们的传热效 率之比为：h 2 ：h e ：n 2 ：a r = - 1 0 ：7 8 ：1 4 ：1 。 在一定的温度下，淬火气体的物理性能可以决定传热系数，分子量较小的气体相对于 分子量较大的气体有较大的热容和热导率，因此分子量低的气体更适合快淬，增加传热速 率。另外，分子量小的气体与分子量大的气体相比，具有密度低、动粘度大的特点；在流 速被确定的情况之下，如果把两种气体结合起来会造成冷却速度下降的结果。表1 1 中列 出了部分气体的热传导系数、气体分子直径和分子质量。 、 表i 1部分气体3 0 0 k 时的参数 综上所述，氢气的传热性能最好，氩气的最差，氮气和氦气居中。虽然氢气有很多优 点，但是钢在氢中易脱碳，并且氢气有爆炸的文献。所以一般不适用氢气。氦气的传热性 能也很好，但是价格太高，一般情况下也不长使用，除非有气体的回收装置。氮气的传热 能力较差，但是价格低廉且安全，因此被广泛的使用。当时实际的生产中，也有不少使用 空气直接作为淬火介质的情况。 1 4 5 淬火气体的压力和流量 气体流量是通过气体的压力p 和气体的流速v 共同决定的。在某种角度上说，如果提 高总的气体流量，传热的速率是可以得到提升的。气体的综合换热系数h 可以表示为下面 的形式： h = c ( e ，1 ，) “ ( 1 3 ) 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 式中：c 常数； p 高压气体的压力，单位为p a ； v 单位体积流量，单位为m 3 s ； 一参数，一般情况下为0 6 r 0 8 。 由上面公式可知，假若适当的提高气体的压力和单位体积的流量，那么部件表面的综 合换热系数h 将以甩次方进行增加。因此，提高气体压力和单位体积流量的方法，可以作 为提高淬火冷却速率的一个思路。 1 5 本文的主要研究内容 喷风头的流场分布对于冷淬速度和重轨的温度场有很大的影响。所以，论文以喷风头 和重轨为研究对象，研究流场、重轨温度场、组织场以及之间的关系，主要内容包括： 1 ) 通过g a m b i t 建立喷风头的有限元模型，运用有限元软件f l u e n t 对喷风头的内 部和外部流场分布进行数值模拟。 2 ) 计算重轨与喷风头在三种间距下的流场，对于重轨和喷风头之间距离的现场调整提 供理论依据。 3 ) 建立重轨的模型，计算得到重轨风冷过程中的温度场，并与实验数据进行对比，验 证数值模拟的可靠性。 4 ) 根据重轨的冷却速度，对重轨内部的组织场进行预测。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章重轨风冷过程流场和温度场的理论基础 2 1 流动和换热过程的控制方程 在自然界和人类的各项工程中都涉及到流动和换热的问题，小到房间里的空调的运 用，大到宇宙飞船在大气层中的壳体保护，都与流动和换热问题密切相关。流动和换热过 程中都包含着大自然中普遍存在的三个基本规律：质量守恒规律、动量守恒规律和能量守 恒规律。重轨的风冷过程主要研究喷风头内部和外部流场、重轨的温度场的一般规律，因 此同样需要遵守这三个规律。 ( 1 ) 质量守恒规律 对于一个微小单元而言，在单位时间内该单元中流体质量的增加等于该时间内流入单 元的质量。用方程表示如下： 塑+ 皇逊+ 皇盟- i a ( 一p w ) ：0 ( 2 1 ) d t瓠 却 a z 式中：p 单元的流体密度，单位为k g m 3 ； “1 方向上的速度，单位为m s ； ，1 方向上的速度，单位为m s ； w 1 方向上的速度，单位为m s 。 用散度表示如下： d _ e ，+ d i v ( p u ) ：0 ( 2 2 ) 式中：u 速度矢量。 ( 2 ) 动量守恒定律 由牛顿第二定律f = m r 可以得出，动量守恒定律表述如下：流体单元体动量的增加 量等于作用于单元体上各力的总和。 通过牛顿切应力公式和s t o k e s 的进一步推导，得到流体单元在三个速度分量上的动 量方程： u 动量方程： 型+ 型+ 型+ 型：丝+ o ( 7 1 d i v v ：+ 2 1 7 - - 罢) + 竺至o v ：型o u + 竺o 色u + o 型w + p e a ta x a y a z瓠 a x 却 a z i l ( 2 3 ) 式中：7 7 流体的动力黏度。 石第二份子黏度，当为气体时，其值为2 3 。 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 同理，v 动量；b - 程为： 百a(pv)+型+必+ta(pvw)ox a y幺0 3 , 掣+ 竺尝+ 鼍2 峭 + 型+ 曼绁+ ：竺+ ! ! ! 互：互! ! 竺：! 二三：互! + ! ：! 薹：芰兰+ ，f 研 昆缸 却 。 夏。一， w 动量方程为： 掣+ 掣+ 必a y + 挈：警+ 掣+ 牮+ 掣攀矿 西 叙 瑟瑟叙 加 一 玉一。一。： ( 2 5 ) 对于方程( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ，若将方程右端份子黏度项做如下变化，以u 动量方程 竺銎竺乏盟+ 盟： 堕+ 盟+ 堕+ 盟+ 盟+ 堕口幽 苏 砂 良 o x 砂 瑟 叙 = d i v o t g r a d u ) + s , 将( 2 6 ) 式代入( 2 3 ) ，并x , j - ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式做相同的变换，得： 了a ( p u ) + d i v ( u ) ：d i v ( 刁g r a d ( 甜”+ 鼠一罢 讲 。出 了a ( a v ) + d i v ( p v 吣咖( ，7 删) + 鼠一考 1 a ( p 广w ) + 咖( p w u ) = 咖( 刁删( w ) ) + 一警 其中，鼠、鼠、瓯为广义源项，其表达式为： 譬一一a ( r t 塞- ) ! ( 喀) 。撕瓦a w ) a ( 脚u )鼠2 下+ 4 0 _ v + 乎+ 半班 龙斑 鼠：翌a u + 堕+ 堕撂丝丝 玉 砂 瑟 砂 s 一塑+ 竺邕撕邕a ( 腩 乱= 华a x + 4 0 y + 乎+ 半 比 宓 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 ( 3 ) 能量守恒定律 能量守恒定律在流体单元体内的表达式为：单元体内力学能的增加率等于进入单元体 的净热流量加上体积力和表面力对单元体所作的功。用流体的比焓h 和温度丁的乘积表示 能量，由导热的f o u r i e r 定律，得： 了a ( p h ) t - _ a ( p - u h ) + _ a ( p v h ) + 掣竺：一p d i v ( u ) + d z v ( g g r a d ( t ) + 西+ 瓯 ( 2 8 ) a ta xa va z “ 式中，五为导热系数，瓯为内热源，为因为粘性作用使得机械能转化为热能的那 一部分能量，它被称作耗散函数，其计算公式为： = ，7 2 【( 罢) 2 + ( 罢) 2 + ( 譬) 2 】+ ( 罢+ 罢) 2 + ( 罢+ 筝2 + ( 罢+ 罢) 2 ) + p d i v u 出 0 3 位纵卵 宓出化卵 上式中的脚v u 是表面力对流体单元所作的功，一般可以忽略；如果是对于理想气体、 液体和固体，h = c , r 。将西和瓯合并，墨= 瓯+ 西，则上式变为： 竽+ d i v ( p u c , 耻州旯g r a d t ) + 品 与质量守恒方程( 2 1 ) ( 2 2 ) 、动量守恒方程( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 、 程( 2 7 ) ( 2 8 ) 进行对比，可以得到它们的统一形式： 掣+ d z v ( k 2 a , ) ：d i v ( g g r a d 。) + s 优 ( 2 9 ) 能量守恒方 ( 2 1 0 ) 其中为物理场变量，七t 、七2 、毛为比例系数，s 为源项，旃，( 七2 ) 为对流项， d i v ( k 3 9 r a d ) 为扩散项。 上面的方程统称为n a v i e r - s t o k e s 方程。 2 2 湍流流动的数学模型 湍流是一种非常复杂的非稳态、不规则流动。 目前模拟湍流运动和换热计算的主要方法有： 1 ) 直接模拟法。采用很小的时间和空间步长通过n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行直接 数值模拟。 2 ) 大涡模拟法。采用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 直接模拟大尺度涡流，但是该方法对于 计算机内存要求较高。 3 ) r e y n o l d s 时均方程的模拟方法。可以分为r e y n o l d s 时均应力法和r e y n o l d s 湍流 黏度系数法，其中后者是目前使用最为广泛的湍流模拟方法。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 1 湍流流动的基本方程 湍流的数值模拟中同样包含着三大物理规律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守 恒定律。它们分别表现为连续性方程、动量方程和能量方程。 ( 1 ) 连续性方程 将三个方向上的瞬时速度表示成时均值和脉动值之和，然后代入连续方程，再作时均 运算，得： 劫a p ( u + u ) 。a p ( v + v ) a p ( w + w ) 一1 一一1 p 一= 西良 砂 出 望+ 望+ a t v + 塑+ 型+ 型+ 型：0( 2 11 ) 8 ta x a y a za x a y a z 由于上面方程中时均量和脉动量得不相关性，可得： 塑+ 塑+ o p v + 塑：0( 2 1 2 ) 西苏 砂 出 a p ，u _ _ a + 掣+ _ a p w ：0 ( 2 1 3 ) c w o y 0 2 上式表明：湍流速度的时均值仍然满足连续性方程。 ( 2 ) 动量方程 对于x 方向： 旦地+ a ( u + u y + 皇! 歪竺：! ! 三! ：! + 坌! 三竺：2 1 互! ：2 o t缸 砂 七 一吉掣+ 掣+ 学+ 掣o z 】 眨 p 苏 良2勿。 2。 整理化简得： 巫+ 叠+ 亟+ 亟：一三互+ 塑+ 塑+ 塑旺 a t 出 砂出p办 o x 砂 比 其他方向上，都可以按照上式处理。 上式两端乘以，用张量的形式表示，动量定理可以表示为： 垣+ 巫：一上亚+ ! ：差二翌!旺 礴 瓠jp 瓠j孤j ( 3 ) 能量方程 对于能量方程，用张景表示，则三个方向的方程统一表示为： 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 一a ( p c p t ) + 挈；掌+ s 眩 d t 出，缸， 上面( 2 1 2 ) 到( 2 1 7 ) 方程详细的描述了时间平均法。但是为了使方程封闭，还有 、必要引入关于脉动量的方程。因此下面提出湍流模型。 2 2 2 湍流模型 ( 1 ) r e y n o l d s 应力方程法 通过时均方程的n a v i e r - s t o k e s 可以得到脉动量附加项的偏微分方程，由此可以引入 更高阶的未知量。这种方法统称为r e y n o l d s 应力方程法。 湍流黏度系数法主要用黏度系数的函数把湍流力表示出来，然后代入进行计算。计算 的重点问题是计算湍流黏度系数。 一p 吼州署+ 静_ 甄咖u ( 2 1 8 ) 其中，7 为分子扩散时的动力黏度。 湍流脉动产生的应力表示为： 一州屯) f _ 嗍+ 研( 鲁+ 挈一知，咖u ( 2 - 只为脉动速度产生的压力，定义如下： b = 三pu r 2 ) v w 2 1 w 1 2 ) = ；2 肚 k 为单位质量流体的湍流动能，其表达式为： 七= 喜( 扩“2 + w 吐) 仍称为湍流黏度系数。 2 ) 湍流扩散系数法 ( 2 2 0 ) 对于变量矽的湍流附加项引入对应的湍流扩散系数r ，。脉动量和时均产生的关系如 下： 司= l 考 ( 2 2 1 ) 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 由研究表明，r , f 。的比值近似的等于个常数，因此令仃= r t f ，所以在研究中通 常只研究研就可以了。 ( 2 ) 湍流黏度系数的常用物理模型 1 ) 零方程模型 它是指仅仅采用带书关系式把湍流黏度系数和时均值联系起来的一种方法。 2 ) 一方程模型 p r a n d t l 和k o l m o g o r o v 提出了湍流黏度与湍流脉动特征速度及脉动的特征尺度的乘积 有关的说法，有下列关系： 协= k p k l 7 2 ， ( 2 2 2 ) 上式中，k 为湍流脉动动能，为特征尺度。 为了能够确定k 的表达式，根据k 的定义，对n a v i e r - s t o k e s 方程进行变化后得出，其 最终的表达形式为： a ka k p 五 删j 瓦2+ 仍丝f ，l 丝a x , + 考 - p 字 c 2 ， 其中，吼为脉动动能的p r a n d t l 数，其值约为1 0 。 3 ) k 一占方程模型。 标准k 一占的模型是一个具有较高稳定性和计算精度、应用最为广泛的模型。 推导出占方程的最终表达式为： a 七a 七 p 面- + p u j 瓦2 瓠j c t l 占，r 瓦。a u , ( i 百o u j +