（材料学专业论文）带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文选择适用于工业生产的带有搅拌系统和均流装置的淬火槽，对淬火介质在槽 内的流场分布进行模拟。在专业c f d 前处理器 址佃i t 中建立三维淬火槽模型并进 行有限网格的划分。判断淬火介质在淬火槽中的流动状态，选择标准k e 双方程湍 流模型作为流场模拟的数学基础。利用专业c f d 软件f l u e n t 进行求解计算，得到 淬火介质在三维淬火槽内的流场分布情况。分析了淬火槽内介质的流动特征以及均流 装置列于流场分布的影响；提出了介质在淬火槽中“有效淬火区”的概念；对比了三 种淬火介质水、光亮淬火油、聚合物p a g 溶液在淬火槽内流场分布的不同；并研究 了淬火槽进1 2 1 速度、光亮淬火油的使用温度、聚合物浓度对于流场分布的影响。 模拟结果表明：淬火介质在淬火槽内的流场分布是不均匀的，在淬火槽内均 流装置的反射作用下，介质在槽内形成一股向上的均匀流动，同时在槽内形成一 个湍流漩涡，漩涡中心的流速非常低。淬火槽内的局部均匀流动区域可以被确定 为有效淬火区，在有效淬火区内淬火可以使工件获得所需要的组织和性能，提高 淬火质量。淬火槽均流装鬣的位置及尺寸的不同会影响有效淬火区的位置和形状。 提商淬火槽的进口速度不会改变介质流场在槽内分布的规律，但是进口速度 的提高会d l l , n 淬火槽内流场分布的不均匀性。光亮淬火油在淬火槽内的流动方向 。t 生- t 常强，它在淬火槽中的有效淬火区域比水的狭窄得多，这是因为光亮淬火油 的运动粘度比水大得多。而且光亮淬火油的运动粘度随使用温度的变化而变化， 滠度越高运动粘度值越低，越有利于其流动。提高使用温度会使光亮淬火汹在淬 火槽内的湍流发展的较为充分，在淬火槽内形成的有效淬火区域也随之加宽。在 低浓度使用条件下，聚合物p a g 淬火液在淬火槽内的流场分布与水差别不大，而 且浓度的变化对于流场的影响也不是很明显。 三维淬火槽内介质流场的模拟可以给出槽内任意位置的速度矢量及流场的整 体分布情况，为实际淬火操作中确定淬火槽的有效淬火区域、提高工件淬火质量 以及进一步提高淬火槽设计水平提供了有益的参考。 关键词：淬火介质，流场，计算机模拟，计算流体力学( c f d ) ，淬火槽、 淬火有效区 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t aq u e n c h i n gt a n k w i t h a g i t a t o rs y s t e ma n df l o w - e q u a l i z i n ge q u i p m e n tw a s s e l e c t e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di ni t f i r s t 3 dm o d e lo f q u e n c h i n gt a n ki ss e tu pa n d m e s h e di nt h ep r o f e s s i o n a lp r e - p r o c e s s o rg a m b it a n dt h e nk t w oe q u a t i o n sm o d e l w a ss e l e c t e da st h em a t h e m a t i c a lb a s i so fq u e n c h a n t u d g i n gf r o mt h em o t i o no f q u e n c h a n ti nt h eq u e n c h i n gt a n k t h e nt h ep r o f e s s i o n a lc f ds o f t w a r ew a su s e dt o c o m p u t et h ep r o b l e m t h e3 - df l o wf i e l di nt h eq u e n c h i n gt a n kw r so b t a i n e df i n a l l y n e c h a r a c t e r i s t i c so fq u e n c h a n tf l o wf i e l da n dt h ei n f l u e n c eo ff l o w - e q u a l i z i n ge q u i p m e n t w e r ea n a l y z e d ；t h ec o n c e p to f “e f f e c t i v eq u e n c h i n gz o n e ”w a sp u tf o r w a r d s ，a n dt h e d i f f e r e n c eo ff l o wf i e l da m o n gw a t e r , b r i g h tq u e n c h i n go i la n dp o l y m e rs o l u t i o nw e r e c o m p a r e d t h ei n f l u e n c eo fv a r i a t i o no fi n l e ts p e e d o i lt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n o fp o l y m e rs o l u t i o no nt h ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l di nt h eq u e n c h i n gt a n kw a sa l s o a n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u i t ss h o wt h a t ：t h ed i s t r i b m i o no fq u e n c h a n tf l o wf i e l di nt h e q u e n c h i n gt a n ki sn o n - u n i f o r n l a nu p w i n du n i f o r m i t yf l o ww i l lb ef o r m e di nt h e q u e n c h i n gt a n kd u et ot h er e f l e c t i o no f t h ef l o w - e q u a l i z i n ge q u i p m e n t ，at u r b u l e n ts w i r l a l s oc o m e si n t ob e i n ga tt h es a m et i m ea n d 也es p e e di nt h ec e n t e ro fs w i r li sv e r yl o w , t h e nt h el o c a lu n i f o i t nz o n ec a nb ed e t e r m i n e da st h ee f f e c t i v eq u e n c h i n gz o n e p a r t s b e i n gq u e n c h e di nt h i sz o n ec a ng e td e s k e dm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e v a r i a t i o n o fl o c a t i o na n dd i m e n s i o no ft h ef l o w - e q u a l i z i n ge q u i p m e n t , v i i la f f e c tt h ed i s t r i b u t i o n o fe f f e c t i v eq u e n c h i n gz o n e i n c r e a s i n go fq u e n c h i n gt a n ki n l e ts p e e dw i l l n o tc h a n g et h ec h a r a c t e r i s t i c d i s t r i b u t i o no fq u e n c h a n tf l o wf i e l d ，b u tc a nr e s u l t si na g g r a v a t i o no fu n u n i f o r r nf l o w f i e l di nt h eq u e n c h i n gt a n k a sf o rb r i g h tq u e n c h i n go i l ，t h ed i r e e t i v i t yo fo i lf l o wi s v e r ys i g n i f i c a n ti nt h eq u e n c h i n gt a n ka n di t se f f e c t i v eq u e n c h i n gz o n ei sm u c h n a r r o w e rt h a nw a t e rb e c a u s ei t sl d n e m a t i cv i s c o s i t yi sm u c hb i g g e rt h a nt h el a t t e r t h e k i n e m a t i cv i s c o s i t yo fo i lw i l lc h a n g eg r e a t l yw i t hv a r i a t i o no ft e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e r u s i n gt e m p e r a t u r et h el o w e rk i h e m a t i cv i s c o s i t y t w b u l e n tf l o wo f o i lw i l lb ed e v e l o p e d s u f f i c i e n t l yw i mh i g ht e m p e r a t u r e a n di t s e f f e c t i v eq u e n c h i n gz o n ew i l l a l s ob e b r o a d e n e ds i m u l t a n e o u s l y t h e r ei s1 i t t l ed i f f e r d n c eb e t w e e n 也ed i s t r i b u t i o no fd i l u t e d p o l y m e rs o l u t i o np a g t h es i m u l a t i o no fq u e n c h a n tf l o wf i e l di n3 - dq u e n c h i n gt a n kc a ng i v eb o t h v e l o c i t yv e c t o r sa ta r b i t r a r yp o s i t i o na n dt h ei n t e g r a t e df l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni ni t t h i s w o r kc a r lh e l pt od e t e r m i n et h ee f f e c t i v eq u e n c h i n gz o u ei nr e a lo p e r a t i o na n dw i l l i m p r o v et h eq u a i l t yo f p a r t sb e i n gq u e n c h e d t h es i m u l a t i o nw i l la l s op r o m o t et h el e v e l o f q u e n c h i n gt a n kd e s i g ne s p e c i a l l y k e yw o r d ：q u e n c h a n t ，f l o wf i e l d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) ，q u e n c h i n gt a n k , e f f e c t i v eq u e n c h i n gz o n e i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和偕阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：7 恸 v 每? 6 其“b 玖文 办吮弘纺 名 ， 割 日jy，】 制 月 导 ： 雕 年 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕参艿 日期：y 年肌臼 带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟 1 1 课题背景 第一章绪论 随着现代科学技术的发展，对机械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 处理则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。在热处理过程中，试 件内部会发生十分复杂的物理现象，如瞬态温度场的变化、组织的转变、力学性 能的改变以及残余应力的产生等1 埘。这些物理现象也是材料实现淬火硬化的主要 依据。以往，这些物理量的变化都是通过试验研究确定的。用物理模拟的方法进 行研究也有很多局限性，因为很难找到各种物理量都能满足相似原理的物理模型。 对小试样，在一定条件下测得的温度场、组织场、应力应变场很难直接应用到真 正尺寸的实际工件上。又由于淬火冷却工程涉及高温作业和在线测量，在当前的 技术条件下，测量是相当困难的，有些量只能测得最后结果。仅表面测量( 除温 度外) 都很困难，更不用说零件内部的各场量的分布。因此，目前的淬火工艺分 析和掌控大多是停留在定性分析和经验的基础上。 二十世纪七十年代以来由于计算机技术的迅速发展，热处理的计算机模拟也 随之成为一个举世关注的研究领域。计算机模拟是一项多科学相互渗透的学科， 一些与热处理相关的学科，如数值计算方法、计算传热学、热弹塑性理论、相变 动力学、计算流体力学等在国内外都开展了较为深入的研究，从而为热处理过程 的计算机模拟和仿真技术的发展奠定了坚实的基础。计算机作为将知识转化为生 产力的强大工具，可使热处理摆脱主要凭经验进行生产的落后状态，向着在正确 预测工艺结果的基础上实行精确控制的方向飞跃。热处理智能化将成为信息时代 热处理技术发展的重要方向，热处理教学模型和计算机模拟是开发高度知识密集 型的热处理智能技术的关键，为各国热处理界所重视1 3 】。 1 1 1 淬火冷却过程 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 江苏大学硕士学位论文 组织和性能的技术4 1 。它包括淬火工艺及其优化、淬火介质及其性能评定、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 残余应力控制等。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、性能和较小的残余应力及残余形变吼具体过程如图1 1 所示。 图1 1 介质流场、温度场与工件温度 场、组织场和应力场之间的互相作用图 f i 9 1 1 i n t e r a c t i o nb e t w e e nq u e n c h a n ta n dp a r t sb e i n gq u e n c h e d 在图1 1 中，、为淬火介质流场、温度场与工件温度场的相互作用和影响； 、为工件内部温度场与组织转变的相互作用和影响。不同的转变温度对应不 问的组织，组织转变时会产生相变潜热，反过来又影响工件的温度场分布；、 为组织转变与应力场、应变场的相互作用和影响。组织转变引起体积的改变， 因为工件内部各部分温度分布和变化不均匀，组织转变量不同，膨胀量也不同， 因而产生了组织应力和应变。反过来组织应力对组织转变又有一定影响；、 为工件内部温度场与应力场、应变场的相互作用和影晌。由于工件内部各部分温 度分布不均匀，各部分变形不一致，因而产生热应力和热应变。在淬火应力作用 下零件发生变形，产生变形功，其中大部分转化为热能。因此会影响工件的温度 分布。 金属材料热处理冷却过程是一个极其复杂的过程，涉及了金属学和热处理原 理、传热学、热弹塑性力学等学科内容f 6 j 。在淬火过程中，由于试件内部温度分布 不均匀和组织转变不同时，从而形成热应力和相交应力。这些应力直接影响工件 带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟 的组织性能和使用寿命，如果热处理工艺或操作不当，会造成工件组织性能达不 到预定要求，甚至会产生过量变形或开裂而报废吐生产实践表明，淬火过程是热 处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环 节，它涉及到试件的温度场、显微组织场、应力( 应变) 场和介质的流场等，实 际测量和理论分析难度都很大。因此，淬火过程的深入研究对工程实际有重大的 指导意义，已成为当今热处理领域的研究热点之一【8 。”。 1 1 2 淬火过程的计算机模拟 随着计算机技术的发展和数值计算的广泛应用，计算机模拟( 或称数值模拟) 得到了迅猛发展。数值模拟是以物理模型为基础，建立数学模型，并使用计算机 求解各场量。淬火冷却过程的计算机模拟就是利用计算机求解各场量的数值解。 这种数值模拟虽然不能直接给出组织分布、应力分布与工艺参数的函数关系，但 是它能对工件的温度场、组织场和应力场进行耦合计算，给出每一瞬间的温度场、 组织场和应力场的分布，并且直接地观察到各场量在淬火冷却过程中的变化情况 1 2 1 4 。数值模拟只要求和数学模型一致，因此，若用同一数学模型编制的程序对 小试样计算的结果与实际测得的结果致，则根据实际工件的具体条件计算出的 结果就是很可靠的。这样，就可以在节省大量人力、物力、财力和时间的情况下 对工件进行全面的分析，并对淬火工艺的预测和组织性能进行评估，从而优化淬 火工艺方案，使工艺更加高效合理。 不过，尽管有关淬火过程计算机模拟的文献大量涌现，所涉及到的淬火领域 都有做过探讨，然而淬火是一个非常复杂的过程，目前淬火的计算机模拟还没有 完全成熟，许多问题还有待人们作深入研究。 1 1 3 热处理计算机模拟新技术的发展 随着计算机技术、数值计算方法以及与热处理有关的一系列基础性研究工作 的开展，热处理过程计算机模拟得到了迅速发展，国内外近年来热处理新技术的 发展可归纳为以下几个方面【j 珂： 气体渗碳和渗氮的计算机模拟： 工件加热的计算机模拟； 淬火的计算机模拟； 江苏大学硕士学位论文 流场力学模拟： 激光热处理的计算机模拟； 相变过程的原子层次计算机模拟； 以计算机模拟为基础的热处理c a d 技术。 从以上热处理计算机技术的发展方向我们可以看出，计算机模拟技术已经渗 入到了热处理过程的很多方面。其中对工件在热处理过程中的模拟和对淬火设备 及淬火设备内的介质模拟是计算机模拟的主要方向之一。尤其值得关注的是对热 处理过程中流体力学的模拟，了解热处理介质的流动对研究介质在热处理过程中 对工件产生的影响是非常重要的。 1 2 淬火介质流场的计算机模拟 1 2 1淬火冷却过程中搅拌的作用 在淬火过程中，冷却强度( h 值) 对钢的淬火处理效果影响很大。冷却强度 不仅取决于淬火介质自身的冷却能力，而且还取决于淬火槽内淬火介质的流动状 态。即使淬火介质相同，淬火槽的结构和搅拌方式不同，淬火硬化的效果也会有 显著的不同。因此，对于生产和科研的实际淬火操作来说，冷却能力不仅仅是淬 火介质的冷却能力，而且应是淬火槽整个系统的冷却能力【1 6 l 。 k h a v s k i i 17 】等认为产生开裂和畸变的主要原因是淬火冷却的不均匀性，而不是 介质本身。影响淬火冷却均匀性的最重要因素之一就是淬火槽内淬火介质的流动 状态，恰当的介质搅拌不但能明显提高淬火冷却的均匀性，同时能提高介质的冷 却强度 1 1 1 , 1 9 】。淬火槽中流体的流速对淬火槽的冷却能力起着决定性作用，流场的 变化对冷却过程有极其重要的影响，而流场的变化是通过搅拌来实现的。 当工件在淬火介质中冷却时，在没有强制对流( 搅拌) 的情况下，其冷却过 程可以分成以下三个阶段 2 0 l ：蒸汽膜阶段，沸腾冷却阶段，对流冷却阶段。对淬 火介质进行不同程度的搅拌或以不同程度的流速进行循环，可以破坏工件在淬火 冷却工程中形成的蒸汽膜的稳定性，加强工件和淬火液接触的相对运动，使冷却 速度加快，冷却均匀，这样可以消除淬火软点，增加淬硬层深度和减小变形。尤 其当介质浓度较高时蒸汽膜阶段较长，进行适当的搅拌，可以促使蒸汽膜提早破 裂，增加最大冷却速度，改善冷却特性：当工件淬透性不高，又要求有较高硬度 江苏大学硕士学位论文 流场力学模拟： 激光热处理的计算机模拟： 相变过程的原子层次计算机模拟； 以计算机模拟为基础的热处理c a d 技术。 从以上热处理计算机技术的发展方向我们可以看出，计算机模拟技术已经渗 入到了热处理过程的很多方面。其中对工件在热处理过程中的模拟和对淬火设备 及淬火设备内的介质模拟是计算机模拟的主要方向之一。尤其值得关注的是对热 处理过程中流体力学的模拟，了解热处理介质的流动对研究介质在热处理过程中 对工件产生的影响是非常重要的。 1 2 淬火介质流场的计算机模拟 1 2 1淬火冷却过程中搅拌的作用 在淬火过程中，冷却强度( h 值) 对钢的淬火处理效果影响很大。冷却强度 不仪取决于淬火介质自身的冷却能力，而且还取决于淬火槽内滓火介质的流动状 态。即使淬火介质相同。淬火槽的结构和搅拌方式不同，淬火硬化的效果也会有 显著的不同。因此，对于生产和科研的实际淬火操作来说，冷却能力不仅仅是淬 火介质的冷却能力，而且应是淬火槽整个系统的冷却能力【l “。 k h a v s l d i 1 1 等认为产生开裂和畸变的主要原因是淬火冷却的不均匀性，而不是 介质本身。影响淬火冷却均匀性的最重要因素之一就是淬火槽内淬火介质的流动 状态，恰当的介质搅拌不但能明显提高滓火冷却的均匀性，同时能提高介质的冷 却强度 1 8 ，”】。淬火槽中流体的流速对淬火槽的冷却能力起着决定性作用，流场的 变化对玲却过程有极其重要的影响，而流场的变化是通过搅拌来实现的。 当工件在淬火介质中冷却时在没有强制对流( 搅拌) 的情况下，其冷却过 程可以分成以下三个阶段脚】：蒸汽膜阶段，沸腾冷却阶段，对流冷却阶段。对淬 火介厦进行不同程度的搅拌或以不同程度的流速进行循环，可以破坏工件在淬火 冷却工程中形成的蒸汽膜的稳定性，加强工件和淬火液接触的相对运动，使冷却 速度加快，冷却均匀，这样可以消除淬火软点。增加淬硬层深度和减小变形。尤 其当介质浓度较高时蒸汽膜阶段较长，进行适当的搅拌，可以促使蒸汽膜提早破 裂，增加最大冷却速度，改善冷却特性；当工件淬透性不高，又要求有较高硬度 裂，增加最大冷却速度，改善冷却特性；当工件淬透性不高，又要求有较高硬度 江苏大学硕士学位论文 流场力学模拟： 激光热处理的计算机模拟； 相变过程的原子层次计算机模拟； 以计算机模拟为基础的热处理c a d 技术。 从以上热处理计算机技术的发展方向我们可以看出，计算机模拟技术已经渗 入到了热处理过程的很多方面。其中对工件在热处理过程中的模拟和对淬火设备 及淬火设备内的介质模拟是计算机模拟的主要方向之一。尤其值得关注的是对热 处理过程中流体力学的模拟，了解热处理介质的流动对研究介质在热处理过程中 对工件产生的影响是非常重要的。 1 2 淬火介质流场的计算机模拟 1 2 1淬火冷却过程中搅拌的作用 在淬火过程中，冷却强度( h 值) 对钢的淬火处理效果影响很大。冷却强度 不仅取决于淬火介质自身的冷却能力，而且还取决于淬火槽内淬火介质的流动状 态。即使淬火介质相同，淬火槽的结构和搅拌方式不同，淬火硬化的效果也会有 显著的不同。因此，对于生产和科研的实际淬火操作来说，冷却能力不仅仅是淬 火介质的冷却能力，而且应是淬火槽整个系统的冷却能力【1 6 l 。 k h a v s k i i 17 】等认为产生开裂和畸变的主要原因是淬火冷却的不均匀性，而不是 介质本身。影响淬火冷却均匀性的最重要因素之一就是淬火槽内淬火介质的流动 状态，恰当的介质搅拌不但能明显提高淬火冷却的均匀性，同时能提高介质的冷 却强度 1 1 1 , 1 9 】。淬火槽中流体的流速对淬火槽的冷却能力起着决定性作用，流场的 变化对冷却过程有极其重要的影响，而流场的变化是通过搅拌来实现的。 当工件在淬火介质中冷却时，在没有强制对流( 搅拌) 的情况下，其冷却过 程可以分成以下三个阶段 2 0 l ：蒸汽膜阶段，沸腾冷却阶段，对流冷却阶段。对淬 火介质进行不同程度的搅拌或以不同程度的流速进行循环，可以破坏工件在淬火 冷却工程中形成的蒸汽膜的稳定性，加强工件和淬火液接触的相对运动，使冷却 速度加快，冷却均匀，这样可以消除淬火软点，增加淬硬层深度和减小变形。尤 其当介质浓度较高时蒸汽膜阶段较长，进行适当的搅拌，可以促使蒸汽膜提早破 裂，增加最大冷却速度，改善冷却特性：当工件淬透性不高，又要求有较高硬度 带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟 时，必须采用适当的淬火介质浓度和有效的搅拌爿能获得理想的淬火效果。研究 表明，良好的搅拌不但可以提高工件的淬火冷却速度，而且可以大大地改善淬火 介质温度的均匀程度，从而改善工件的淬火均匀程度，提高工件淬火效果，改善 j 件组织性能。 因此，测量淬火槽中介质流速以及研究淬火介质流场的分布，对淬火槽的设 计、淬火冷却过程模拟和实现控制冷却都具有重要的意义。对淬火槽内淬火介质 的流动状态进行计算机模拟是一项非常重要的基础性工作。通过对淬火介质流场 的模拟计算，既可以指导淬火槽的结构设计和搅拌装置的设计，以获得流速均匀 且可调可控的流场，又能够为深入研究冷却强度、对流换熟系数以及试件内部温 度场、显微组织场、应力( 应变) 场打下基础。随着计算流体力学的发展，淬火 介质流场的计算机模拟也在逐步发展，并已成为淬火过程计算机模拟的一个非常 重要的研究方向【2 2 吨5 1 。 1 2 2 计算流体力学的引入 试验测量可以较精确地获得流动场的数据，是淬火槽内流场研究的必不可少 的手段，但是试验测量需要借助精密仪器，投入大量的人力物力，只能对少数体 系进行测量，优化参数仅适用于特定设备。试验结果的放大目前还只能依靠些 经验或半经验的方法，有时还会出现较大的放大效应。致使单纯依靠试验结果进 行放大设计的可靠性较差，远不能适应现代工业对过程放大的要求1 2 “。 测量技术的发展和计算机能力的提高，使淬火槽中流动场的数值模拟成为可 能。计算流体力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y r m m i c s ) 是以计算机数值计算为 基础，对于流体流动，传热以及相关现象进行分析的一种研究方法。它克服了试 验测量的弊端，对实际设备通过计算的方式可获得流动的速度分布和湍流特性参 数，是迅速发展着的一种新的设计工具。c f d 以其强大的能力，在各种领域得到 了广泛的应用，比如，航空、水力、电力、化工、冶金、生化工程等【27 1 。将c f d 应用于搅拌混和过程的研究是从8 0 年代开始的，虽然其应用时间还不算长，但是 却给搅拌混和的研究注入了新鲜的血液。众所周知，对搅拌混和这种古老的单元 操作过程的研究尚未形成完接的理论体系，主要还是依靠一些经验手段。随着新 产品及新技术的发展，对于搅拌过程中流体的流动情况提出了更高的要求。c f d 方法正是适应这种趋势而发展起来的一种新的工具。 江苏大学硕士学位论文 1 ，23 计算流体力学( c f d ) 方法 任何流体运动的规律都是由以下三个定律为基础的：质量守恒定律，动量守 恒定律和能量守恒定律2 射。这些基本定律可由数学方程组来描述，如e u l e r 方程、 n ，s 方程。采用数值计算的方法，通过计算机来求解这些数学方程，研究流体运动 特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律，这一学科就是计算流体力学。 从6 0 年代开始c f d 技术已经被用于航空工业中飞机、发动机的设计和生产中。 起初，c f d 被认为只适用于高技术工业，而且只有经过特殊训练的专业人员才能 使用。从8 0 年代中期至今，随着计算机和商业c f d 软件的发展，简单的操作平 台和友好的用户界面使得c f d 的应用更加普及，其应用领域愈加广泛。 1 3c f d 软件 1 3 1c f d 软件简介 随着流体力学的发展，c f d 软件也渐渐地开始应用到热处理领域。本文就是 流体力学为基础，以c f d 软件为工具，对淬火槽内的流场进行模拟研究。c f d 软 件的结构安排都是围绕解决流体流动问题的，为了能够很方便地解决问题，所有 c f d 软件都提供了用户界面来输入参数和检查计算结果。因此，c f d 软件基本上 由三部分组成：前处理、解算器和后处理【2 9 】。 前处理的过程就是为解算器定义需要解决问题的参数。前处理过程需要做的 工作有：定义计算所关心的区域，即计算区域；定义流体的属性；确定边界条件。 对流动问题的求解是在每一个网格上进行的，因此，网格的质量和数量直接影响 到计算结果的准确性。通常说，网格数越多，计算结果越准确，但是计算消耗也 越高。比较好的方法是采用非结构性网格：对梯度变化比较大和研究比较关心的 区域采用细网格，对梯度变化小的区域采用粗网格。还有一种方法称为自适应网 格技术，它会在计算中自动对变化较大的区域进行网格加密。这种技术已经被加 入到了商业软件中。 结算器的任务就是对一系列的方程进行求解。现在基本上有三种求解技术： 有限差分，有限元和谱方法。三种方法的差别在于对流动变量的近似和离散过程 的不同。有限差分法采用网格上的节点做样点来定义流动变量，网格节点和相邻 点上变量的微分一般采用截断泰勒展开式的方法得到差分近似。将这些差分式代 带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟 替控制方程中的微分式就可以得到变量在每个节点上的代数式。有限元法用分段 函数的方法来定义流动变量。谱方法利用傅立叶展开式或切比雪夫多项式来近似 变量，与上两种方法不同的是这种近似不是在局部进行的，而是在整个计算域。 后处理用来对计算结果进行查看和数据的输出。随着计算机和图形技术的发 展，软件中的可视化功能越来越强大。它包括：计算域和网格的显示；矢量图； 等值线；强大的图形流动可视化和动画功能；基于鼠标的操作( 旋转、平移、放 大) 等。 常见的通用c f d 软件有：f l u e n t 、c f x 、s t a r c d 、p h o e n i c s 等。除了 这些通用软件外，还有些专用c f d 软件，如f l u e n t 公司开发的专门对搅拌槽 进行模拟的软件m i x s i r n 等。 1 3 2f l u e n t 软件特点及应用 f l u e n t 软件1 3 0 1 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出，是继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容积法的软件。f l u e n t 是采用最新技术编 写的一种计算机流体计算程序，主要针对那些具有复杂的几何形状的流体流动和 热传导模型。它不但可以为工程设计服务，亦可以用于科学研究。它的软件设计 基于“c f d 计算机软件群”的概念，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，稳定性和精度等各方面达到最佳，再将不同领域 的计算软件结合起来，成为c f d 软件群，从而高效率的解决各个领域内复杂流动 的计算问题。这些不同软件可以计算流场、传热和化学反应，各个软件之间可以 方便地进行数值交换。各种软件采用统一前后端处理工具，为f l u e n t 的通用化 建立了基础。 此外，1 9 9 8 年f l u e n t 公司推出了自己研制的新的前处理器g a m b i t ，用来 生成网格，定义边界。g a m b i t 能够对一些在实际生活中遇到的复杂形状几何体 进行灵活的网格划分，可以生产多种形状的网格，比如说：二维三角形和四边形， 三维的四面体、六面体、金字塔形和楔形，以及一些由它们组合成的复合体。在 一定的计算模型基础上，该软件还可具有对生成的网格进行优化和精简的功能。 由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到很快的 收敛速度和较高的求解精度。灵活的非结构化网格和基于解算的自适应网格技术 以及成熟的物理模型，使得f l u e n t 在各类流动的数值模拟中有着广泛的应用。 江苏大学硕士学位论文 利用专业软件来研究流场，可以免去对n s 方程求解的过程，而将精力集中在 控制参数，研究边界条件对最终流态的影响。对问题研究的广度和深度都可以得 到一定的提高。因此，使用专业软件进行计算已经成为科学研究中的一项重要手 段 f l u e n t 软件作为一个功能强大的c f d 软件，具有以下的特点： f l u e n t 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法； f l u e n t 软件具有强大的完全非结构化网格能力，能够生成不连续的网格， 并支持变形网格和滑动网格。值得强调的是，f l u e n t 软件还拥有多种基于 解算的自适应网格技术； f l u e n t 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显示算法、耦合隐式算 法。从而使f l u e n t 软件适用于低速不可压流动、跨声速流动乃至可压缩性 强的超声速流动； f l u e n t 软件包含丰富的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、 湍流、传热和传质、化学反应、颗粒运动、多相流、自由表面流、相变流等 复杂的流动现象； f l u e n t 软件具有高效率的并行计算功能，提供自动分区功能。内置的m p i 并行机制可以大幅度提高分布式并行效率。这一功能需要并行版本来实现； f l u e n t 软件提供了友好的用户界面。并为用户提供了二次开发接口； f l u e n t 软件采用c 语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。 1 4 国内外研究现状 冷却过程的数值模拟技术在我国发展较晚。8 0 年代中期，上海重型机械厂等 单位开始采用有限差分法，对大型轧辊淬火冷却过程温度场进行了计算，尽管从 数学模型、物性参数、换热系数等都进行了大量的简化，但是在计算结果的总体 趋势上还是非常有意义的。8 0 年代末，清华大学等单位采用有限单元法对大型轧 辊和电机转子淬火冷却过程的温度场、组织场及应力场进行了模拟计算，并根据 模拟计算结果对工艺提出了有益的建议吼 近年来，北京机电所和上海交大等单位合作对界面剧变的淬火条件进行数值 模拟研究，在换热系数和对温度场的数值模拟方砸取锝了很大的成果。郑州机械 带有搅拌系统的淬火槽内余质流场的计算机模拟 研究所等单位在该研究领域也都取得了一定的研究成果。目前，淬火过程的数值 模拟正逐渐向淬火介质流场淬火工件温度场一淬火工件组织场一淬火工件应力 应变场的相互耦合的模拟计算过渡1 3 ”。同时，在计算过程中对物性参数非线性问 题处理的认识和研究需要不断的深入。总体上来讲，我国的淬火过程数值模拟和 国外相比，无论在理论研究方面还是在工业应用方面都存在着一定的差距。 我国从事热处理数学模型和计算机模拟研究的单位大致上有上海交通大学、 清华大学、昆明理工大学、哈尔滨理工大学、上海工程技术大学、东北大学、武 汉汽车工业大学、包头钢铁学院、大连理工大学、燕山大学、中国科学院金属研 究所、北京机电研究所、昆明重金属研究所、郑州机械研究所、上海熏型机械厂、 第二重型机器厂等，不少单位获得国家自然科学基金，国家重点科技攻关计划， 机械部科技基金，以及各省、市科学技术发展资金的资助。近年来加大了投入并 注重向工业应用渗透，国际交流和合作为促进我国热处理数学模型和计算机模拟 技术的发展起着十分有益的作用。 陈晓3 2 1 等用三维流场动力学软件模拟气淬过程中流场和工件内温度场的变 化，研究气淬过程中冷却的不均匀性以及进、出风口的布置，气流喷射角度，工 件放置等因素的影响。此外，流场动力学计算在气、水混合物淬火的模拟口”、喷 雾淬火模拟及相关技术的开发中发挥了重大作用。 在热处理设备的设计中应用流场动力学模拟也颇有意义【3 4 1 ，盐城丰东热处理 有限公司和洛阳矿山机器厂合作研制有效装炉直径达3 2 m 的特大型气体渗碳炉， 为了确定合理的炉膛结构和尺寸，委托上海交通大学进行流场动力学模拟，使大 型齿轮渗碳时齿面周围的气体流速达到6 9 m s ，保证了齿面渗碳的均匀性。流场 动力学计算的引入拓宽了热处理的计算机模拟研究范围，从而有可能将工件与介 质甚至影响所及的整个空间作完整的模拟，是一个值得重视的发展趋势。 d s m a c h e n i c 和ge t 0 钍e n 以及a j b a k e r 0 6 1 等综合考虑流场、传热和相 交之问的相互关系，用计算机模拟方法深入研究了油和聚合物淬火介质与工件表 面热交换的机理，分析了介质的流动状况对换热系数的影响，结果表明，工件浸 入液体介质中淬火比过去想象的复杂得多，介质的流动状况对冷却不均匀性和淬 火畸变的影响很大。因而进行流场动力学模拟对淬火过程研究有重要意义。 l i s c i c 发现a i s l 4 1 3 5 钢( 相当于我国的3 5 c f m o 钢) 在普通淬火油中淬火时， 江苏大学硕士学位论文 油的淬硬能力随着搅拌速度的增加而增加。虽然降低油的使用温度可以改善淬硬 能力，但是与增加搅拌速度相比，前者显然没有后者来得有效p ”。k w e o n 对s n c m 钢( n i c r m o 合金钢) 淬火时发现，油和水的冷却速率和淬硬能力都随着搅拌速度 的增加雨增加”7 i 。v i v a s 和t a r d i o 研究了搅拌和温度对于不同种类碳钢变形的影响， 结果表明如果想在淬火过程中达到均匀的热交换就必须在膜沸腾阶段和核沸腾阶 段对油进行搅拌1 3 。 在文献叫中，g e t o r t e n 和k s l a l l y 阐述了淬火过程中搅拌对淬火的影响。 图1 2 是三种淬火介质在不同搅拌速度下的冷却速率曲线。从中可以看出水、油和 聚合物三种淬火介质与工件间的传热系数都随着搅拌速度的增加而增加。 oj m n 糟 持 拍 _ | o e 哪| 柚r i l e ，自融 1 c o o v o i a l 4 m ih a l 。 ，r m - 1 f 4 i n a i s lt 捧；1 0 4 啊_ s 。| l e e l 啊m ， ：卷2 露蕊黼枷m 。i m 。 i ， ，r r r 1 一 ”。釉赢芸屯篮“” h 蛐_ 岫佛；c 嘲一1 摩“札i 嘲哪瑚 图1 2 搅拌对冷却速率的影响0 8 】 f i 9 1 2t h ec o n t r i b u t i o no fa g i t a t i o nt oc o o l i n gr a t e s 为简化起见，一般认为工件在淬火介质所形成的蒸汽膜是绝热的，所以冷却 速度是由来蒸汽膜控制的。如果蒸汽膜不连续或者蒸汽膜的厚度分布不均匀，就 会导致工件产生淬火裂纹或者变形。而搅拌可以强制改变工件淬火过程中的传热， 改变工件表面蒸汽膜的分布和厚度。 peil芦 带有搅拌系统的淬火槽内介质流场的计算机模拟 文献3 8 1 中还分析了叶轮搅拌器的安装位置对于流动情况的影响。船用三叶式 1 1 p 轮搅拌器可以安装在淬火槽的不同位置：顶入式、侧入式、成一定角度的顶入 式，如图1 3 所示。研究结果表明成一定角度的顶入式和垂直的顶入式的搅拌效果 是比较好的。在同样的转速下，这两种安装方式比传统的安装方式介质流动效率 要高出4 0 ，可以节省能量的消耗，降低成本。 图1 3 叶轮搅拌器的不同安装位置及流动情况口8 】 f i 9 1 3 t h ef l o wp a t t e r n si n f l u e n c e db yi m p e l l e ra r r a n g e m e n t s 1 5 本文研究意义和主要内容 1 5 1 研究意义 尽管淬火过程的计算机模拟已取得了很大进展，淬火试件温度场的计算机模拟 已日趋成熟，淬火试件显微组织场和内应力场的计算机模拟也已研究得较为深入， 但人们对淬火槽内介质流场的研究还不够深入，对淬火介质流场与淬火试件温度 场、显微组织场及内应力场之间的联系也研究的较少。而淬火槽内介质流场对淬 火过程影响很大，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 场为对象研究其在淬火槽中流场分布的特点，对指导淬火槽设计、保证工件淬火 质量以及实现淬火工艺智能化都是非常重要的。 基于这一工作思路，本文研究了淬火槽内介质的流场，这为淬火槽的结构设 计和淬火过程的智能化控制打下良好的基础。这一方法的提出和问题的解决，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 实用渠道。 江苏大学硕士学位论文 1 5 2 主要内容 本文的主要研究内容如下： 一、淬火槽的几何物理模型的建立 选择适用于