气雾冷却设备的设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 摘 要 本课题针对我校为大连特钢设计的模具钢控冷设备，参考了中厚板在生产过程中成熟的在线淬火控冷技术，其中采用了空气冷却、喷气冷却、气雾冷却、水雾冷却以及喷水冷却 5 种由弱到强的冷却方式。本文主要是对气雾冷却系统进行相关设计和计算，并且确定最佳气雾冷却方案和气雾冷却系统的结构参数。在气雾冷却方案的设计过程中，以 FLUENT 软件为操作平台，使气雾冷却过程满足实际需求。本文研究的主要内容和结论是： （ 1）本课题中的控冷设备针对厚度为 5-150mm、宽度为 100-850mm、长度为2000-8000mm 的 模具钢进 行冷却，其中，气雾冷却设备主要冷却薄的模具钢板。为了使模具钢板得到均匀冷却，本文对气雾冷却方式进行了方案的设计和气雾冷却设备结构的设计。同时，本文对所有的设计方案进行了比较详细的说明和比较，并使用了 FLUENT软件对每个设计方案进行模拟实验，从中选择出最佳方案。在确定气雾冷却设备最佳方案后，设计气雾冷却设备的相关尺寸参数，完成气雾冷却设备初步设计。 （ 2）在进行气雾冷却设备喷嘴的间距设计中，对不同的设计方案建立其 GAMBIT模型，同时在模型能定性解决问题的前提下进行模型简化，以便减少计算过程，节约时间。将网 格划分完毕后的模型导入 FLUENT 软件进行模拟实验，检验结果，改进喷嘴布置后多次实验，从而确定最佳喷嘴布置方案，使得模具钢在宽度方向上得到均匀冷却。 本文对于气雾冷却系统的设计方法和研究思路对模具钢在线淬火冷却的研究和利用具有一定的参考价值。 关键词：模具钢，控制冷却，气雾冷却 Design on Quenching Process and Aerosol Cooling Equipment of Mold Steel 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 Abstract According to the cooling device which is designed for Dalian Steel by our school and the on-line quenching technology of plate production, my teacher put forward this topic. In this cooling device, air cooling, air-jet cooling, mist cooling, water spray cooling and spray cooling from weak to strong from are took. This paper tells us that how to design mist cooling device, and I make a example of mist cooling device for us. During the design of mist cooling device, I make full use of the soft of FLUENT, so that the design can meet our requires. This thesis consists of parts as follows: 1. The device in the design is used to cool the mold steel of 5-150mm thickness, 100-850mm width and 2000-8000mm length. The aerosol cooling equipment is used for cooling the thin mold steel plate. In order to meet requires, I make a optimal design of the aerosol cooling equipment. Many results of FLUENT are compared, and I choose a better solution from them. Then I need to design size of the aerosol cooling equipment. 2. Then the Nozzle spacing of the aerosol cooling equipment should be designed. I need to manufacture a GAMBIT model about it, and import this model in FUENT. In order to save time and simplify the calculation, we need to make sure that the model is simplified. We must do a lot of experiments, and find a better design that can keep mold steel uniform cooling. Aerosol cooling system design methods and utilization of the die steel quench has a certain reference value research. Key Words： Die Steel； Controlled Cooling； Aerosol Cooling下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 目 录 摘 要 . 1 Abstract. 2 1 课题综述 . 2 1.1 课题背景及研究意义 . 2 1.1.1 课题背景 . 2 1.1.2 研究意义 . 2 1.2 模具钢概述 . 2 1.2.1 模具钢发展 . 2 1.2.2 塑料模具钢 . 3 1.2.3 预硬型塑料模具钢 . 4 1.3 控冷简介 . 4 1.3.1 控制冷却的机理和作用 . 4 1.3.2 控制冷却的方式 . 5 1.3.3 气雾冷却 设备 . 6 1.3.4 控制冷却在板带材中的应用 . 7 1.3.5 控制冷却存在的问题 . 8 1.3.6 提高控制冷却均匀性的措施 . 9 2 流体概述 . 10 2.1 流体运动研究方法 . 10 2.2 流体相关性质 . 10 2.3FLUENT 软件求解 . 11 3 气雾冷却设备的设计 . 13 3.1 气雾冷却设备方案 . 13 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 3.1.1 模型的建立和参数设置 . 13 3.1.2 气雾冷却设备方案设计 . 13 4 喷嘴方案的制定 . 24 4.1 气雾冷却系统结构对模具钢冷却均匀性的影响 因素 . 24 4.2 气雾冷却系统模型的建立 . 24 4.2.1 模型的建立 . 24 4.2.2 气雾冷却系统结构 . 25 4.2.3 气雾冷却系统的喷嘴方案设计 . 26 4.2.4 计算等效流速 . 38 结 论 . 42 参 考 文 献 . 44 附录 A 附 录 . 46 附录 B 文献翻译 . 51 在 学 取 得 成 果 . 61 致 谢 . 62 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 引 言 本课题来源于以下背景：（ 1）我国当前的控冷技术还不够完善。（ 2）我校也曾为大连特钢设计了一套控冷设备，在实际生产中，仍存在一些缺陷。 本文研究的内容主要有以下部分：对国内外模具钢控冷技术的研究现状对比，以及对气雾冷却设备进行方案设计，同时，使用 FLUENT 软件确定该方案的喷嘴布置，从而使得气雾冷却设备能够满足对模具钢控冷性能的要求，可以实现在线控冷，以及实现控冷工艺的在线自动化。从而可以提高产品生产率和产品质量。 该课题的研究过程和方法： 首先通过对气雾冷却设备的相关知识进行充分了解的基础上，对气雾冷却设备的方案进行设计和实验，完成对气雾冷却设备外形尺寸的设计。 通过文献学习，找到理论计算方法。并且采用理论研究与数值模拟相结合的方法，通过 Fluent 进行数值模拟分析，确定合理的喷嘴分布参数。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 2 - 1课题综述 1.1 课题背景及研究意义 1.1.1课题背景 目前，我国的控冷技术仍然不够完 善。并且，我校为大连特铁设计的一套控冷设备在实际的生产应用中，也存在一些问题。 1.1.2研究意义 本课题对气雾冷却设备进行设计和理论计算，使得设备能够满足对模具钢控冷性能的要求，可以实现在线控冷，以及实现控冷工艺的在线自动化。从而提高了产品生产率和产品质量。 1.2 模具钢概述 1.2.1模具钢发展 随着对模具的要求 如模具向精密、多型腔、高寿命等越来越高，我国引进了不少效果比较好的模具钢。例如：冷作模具钢、塑料模具钢、热作模具钢等 1。 最近一些年，我国的模具工业的发展十分迅速。国内现有模具生产厂点有 近 20000个，从业人员超过 50 万人。模具材料是制造生产模具的基础，随着我国模具工业的发展和国际化的进程，我国模具钢的产量、生产工艺装备、质量性能、品种规格等方面均取得了长足的进步。 近几年， 2000 年以来，我国国产模具产值每年平均递增 15%，但国产模具的自配率不足 80%，其中中低档模具供过于求，而高档模具近 50%靠进口，尤其是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大。中国是模具进口大国，年进口金额相当于国产模具产值的 25% 30%。随着全球制造业向中国和东南亚转移，预计到 2020 年中国将成为世界制造强国和 制造业中心 2，制造业的发展向模具钢提出了更多的要求，必须提高国产模具钢的质量以生产出高质量的模具，摆脱长期依赖于进口的不利局面，为制造业的发展打下坚实基础。根据文献资料得到 2000 年 2007 年我国模具钢产量 3。 表 1-1 我国模具钢的产量 年份 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 产量 /万 t 19 27 33 39 52 54 57 60 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 同时， 中国模具钢制造水平取得了长足的进步。以汽车覆盖件为代表的大型复杂冲模， 34 英寸大屏幕彩电和 48 英寸背投式电 视机的塑壳模具， 6.5kg 大容量洗衣机全套板等塑料模具，自动扶梯整体踏板及汽车后桥齿轮箱的大型精密复杂压做模等，我们自己都能生产。如模具 CAD/CAE/CAM 技术已广泛应用，并开发出有自主知识产权的CAD/CAE/CAM 模具软件：电加工、数控加工技术在模具制造上普遍采用；一些骨干模具生产企业开始使用高速加工技术，这都为国产模具钢提供了一个潜在的大市场，国产模具钢要尽快适应模具市场的变化趋势，模具工业的快速发展，带动了国内模具钢的产量、品种、规格及品质水平的提高。 目前，深圳周边及珠江三角洲地区已经成为中国模 具工业最为发达、科技含量最高的区域。今后几年，随着全球制造业重心加快向我国转移，这一地区有可能在 10 年内发展成为世界模具生产中心 4。 1.2.2塑料模具钢 1960 年，世界塑料的总产量仅仅 670 万 t，到 2001 年已达 16450 万 t。 2000 年我国塑料制品就超过 2000 万 t，仅次于美国，居世界第二位 5。 模具可以分为金属成形模和非金属成形模两类，而塑料模具是非金属成形模具中主要模具类型之一。随着石油、化学等工业的迅速发展，塑料成为了工业生产中的一种主要原料，导致塑料制品成形模具用钢已发展成为一个独立部 分。 按照塑料成形模具损坏的原因以及加工性能对模具钢要求，塑料模具钢应具有良好的耐热性能、机械强度、耐磨性、耐腐蚀性、切削加工性、镜面加工性、花纹图案光蚀性能等。 塑料模具钢可分为低碳低合金钢，碳素结构钢，合金结构钢，合金工具钢，析出硬化钢和马氏休时效钢等六种。 根据成型方式不同，塑料模具钢有不同的用途 6。 1）注射成型：用于热塑性、热固性树脂、花纹图案、透明件、光学玻璃和镜片透明塑料件、 PVC 等的加工。 2）压缩成型：用于调价玻璃纤维等无机物填料一般热固性树脂、热固性树脂的加工。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 1.2.3预硬型塑料 模具钢 预硬型塑料模具钢的特点是在模具加工前需要进行预硬化处理。模具加工成形后可以不再进行热处理，但是模具型腔是从表面向内凹陷，因此模具的工作面实际上是模块的截面 , 因而这就需要要求模块截面具有均匀的硬度。 常用的预硬型塑料模具钢可分为两类，第一类是结合塑料模具要求而单独开发的钢种 , 如 3Cr2Mo（美国 P20）、 3Cr2MnNMio（瑞典 718）钢等；第二类是借用的合金结构钢以及一些热作模具钢的成熟钢钢号，如 40Cr、 42CrMo、 3CrMnSiNi2A、5CrMnMo、 5CrNMi o、 4Cr5MoSiV1 钢等。 预硬型塑料模具钢一般用于酚醛树脂、三聚氰胺树脂等各种胶木粉的压制成型以及尼龙、聚甲醛、聚乙烯等各种热塑性塑料的注射成型。除了要满足一般的强韧性要求外 , 还必须拥有较好的淬透性、截面硬度均匀性、切削加工性、磨抛性及耐蚀性等 7 。 1.3 控冷简介 1.3.1控制冷却的机理和作用 模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外。其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的 。也是不经济的。而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果。这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因 8。 钢以扩散方式从奥氏体转变为铁素体或珠光体型组织，以切变方式从奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织。因此，根据其相变机理而言，加速冷却工艺主要是以扩散相变机制和细化晶粒来达到改善钢材的性能的目的，同时直接淬火工艺则主要是利用切变机理和提高淬透性来实现钢材的性能的改善 7。 淬火是将钢加热到一定温度以上，保温一定时间，以需求冷却速度冷却，获得马氏体 或贝氏体组织 的热处理工艺。它是钢的最经济、最有效的强化手段之 一。配合 不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度 、 耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。 经感应加热表面淬火的工件，表面不易氧化、脱碳、变形小 9。后来北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 开发的 DQ（直接淬火）技术， DQ 与再加热淬火处理相比，淬硬性可以提高1.4 到 1.5 倍能大大提高低碳钢及低合金钢的强度 10。 按淬火冷却介质来分，目前常规淬火工艺主要有水淬、油淬、熔融热浴（碱浴、盐浴、和金属浴）淬火和专用淬火液淬火、水溶性淬火介质淬火等，这些淬火工艺是先将工件加热到奥氏体化后再在水、油、熔融热浴、 以及专用淬 火液、水溶性淬火介质等冷却介质中快速冷却并使工件发生相变的加工处理过程。此外，比较常规的淬火工艺还有空气 （ 静止空气、压缩空气 ） 淬火和固体 （ 流动粒子和金属板 ） 淬火等 11 12。常用的淬火方法有：单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、局部淬火 10。 控制冷却的作用可概括如下 13： （ 1） 提高产品质量 1）机械性能：提高强度并且改善韧性。 2）工艺性能：提高可焊性、裂纹抗力和成形性。 3）组织与结构：提高了组织的分散度、获得了复相组织并且细化了晶粒。 4）表面质量：减少表面划伤 、裂纹和氧化铁皮产生、避免表面脱碳现象的产生。 （ 2） 降低生产成本 1）节省了合金成分。 2）减轻了构件及其设备重量。 3）节约了能源。 4）简化工艺流程。 5）提高成材率。 6）减少环境污染、节省自然资源。 1.3.2控制冷却的方式 几种常用的冷却方式和特点如下 14 15 16： （ 1）水 气喷雾冷却 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 通过加压的空气使水成雾化状态，成雾状的水和高压高速气流直接喷到钢材表面上进行冷却。优点是可对板材较冷边部进行补偿，这大大节省了成本，缺点是这种冷却方式冷却不均，容易产生翘曲。 （ 2） 层流冷却 其优点是水流可以保持成层流状态，并且可以得到很强的冷却能力；上下表面、纵向表面可以得到均匀冷却。其缺点是冷却区距离长；并且集管之间有了一定的距离，这导致了横向冷却的不均匀。 （ 3）水幕冷却 其优点是保持层流状态的水流，可以大大提升冷却速度，并且其对水质的要求不高，容易维护。缺点是带钢上下表面以及整个冷却区的冷却十分不均匀；并且可调节的冷却速度范围也相对较小；这导致容易出现不成幕的缺陷。 （ 4）超快速冷却 这种冷却方式优点是它可以有很大冷却速度，并且冷却能力范围大，冷却的也较均匀，所 以冷却效率高。对应的缺点点是水消耗量很大，对水质的要求也很高，喷嘴容易出现阻塞状况。 （ 5）喷射冷却 水通过加压从喷嘴喷出来，其优点是冷却面积很大，冷却也较均匀。缺点是这种冷却方式对水质要求极其严格，并且可以控制的冷却范围不太宽，需要很高的压力，冷却效率也不高，大量的冷却水都飞溅出去，因此浪费水资源。 1.3.3气雾冷却设备 气雾冷却系统是指采用高速冷却空气雾化冷却水产生气雾冷却介质的装备，它可以提高带钢的冷却速度。它由冷却喷箱、汽水分离器、气刀、脱盐水箱等组成 17。 （ 1）冷却风箱 气雾冷却的核心是采 用高速冷却水和冷却空气，用冷却水雾化产生的气雾介质冷却带钢，而其中的核心设备就是冷却风箱。冷却风箱是一个整体喷箱，喷箱下部为带钢人口和密封气刀，中部为气雾喷嘴与风箱，上部为气雾排放口和带钢出口，雾化后的水雾喷吹到带钢的表面冷却带钢，以满足工艺的要求。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 7 - （ 2）喷嘴 喷嘴是冷却风箱的核心，然而不同型式的气雾喷嘴则有着不同的喷雾形状和流量分布特性、雾化角、雾粒直径和流速、冲击力分布，因此需要根据各种工况下的雾化状态，来采用最合适的喷嘴组。 要想使用中达到理想的喷吹效果，所以要先在实验室里对喷嘴进行试验，根据不同喷射速度，确定流量系数，采用粒度分析仪测量雾粒粒径和速度。采用数码照相机或摄像机记录各种工况下的雾化状态，完成单个喷嘴性能实验后，选定一种型式的喷嘴，按照一定喷嘴间距形成喷嘴组。 （ 3）气刀 其主要作用是密封，气刀的角度固定，在穿带时可以打开。气刀转动使用气体压力，气刀风管下部设有气刀转动位置指示盘。在指示盘指针处需安装位置开关。 （ 4）系统控制 在冷却喷箱入口下方设置用于测量温度的辐射高温计，用它来测量带钢进入喷箱前的温度，并将测量值发送到上位计算机，作为参数纪录，用于研究带钢快速冷却温度与冷却速度。 在冷却喷箱出口上方设置一个带钢温度测量的辐射高温计，测量带钢出喷箱后的温度。该信号与喷水控制阀形成闭环控制，通过调节水量控制带钢出喷箱的温度。该信号与设定值进行比较，以确定冷却水控制阀的开度。 喷箱内不设边部挡板，带钢宽度方向温度控制通过喷嘴布置实现，喷箱接水板间隔为固定值。 1.3.4控制冷却在板带材中的应用 传统的控制冷却方式 控制冷却技术随着钢铁材料的性能的提高以及钢种开发的需要而产生的，并且得到了广泛持续的发展与应用。在 60 年代后半期控制冷却出现在热钢输出辊道上，用于材质控制，在上世纪 70 年代 中期，控制冷却技术在板带材钢种开发方面初露端倪，人们将这种技术用于开发制造管线原板的厚板领域。 （ 1）快速冷却技术 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 在控制冷却技术未出现之前，人们曾经采用控制热轧条件（加热温度以及各轧制道次的轧制温度、压下量）为主的控制轧制技术，并且结合合金元素成分来设计生产强度和低温韧性均较高的板带材。随后人们通过实践，将提高钢板性能的研究开始转向控轧后再水冷。最后确认通过控制冷却可在不破坏钢板韧性的前提下，提高其强度，并且可以保证在同一强度下，实现低合金化高强度钢。 快速冷却技术作为控轧控冷技术的重要组成部分，它从发展 到现在，其实质是通过控制轧件的轧制温度轧后冷却速率、轧件开冷温度以及终冷温度来控制钢材的高温奥氏体组织形态以及组织形态演变过程，来达到最终控制钢材的组织类型形态及分布并且提高钢材组织和力学性能的目的。 （ 2）直接淬火技术 从 20 世纪 50 年代以来，日本和美国钢铁公司采用加压淬火装置，开发出 6001000MPa 级的再加热淬火回火钢板，这成为生产调质型高强度钢的主要工艺。到 70 年代末，人们尝试以再加热淬火的实用材料为基础，利用较为经济的直接淬火及回火工艺来开发生产高强度钢。日本的 T.Inoue18对淬火和回 火进行了模型研究和数值模拟，法国的 Denis19在内应力计算时，考虑了内应力在马氏体转变过程中的影响。直接淬火是钢板经精轧后进行相应地在线热处理相对再加热淬火工艺其特点为：钢板经精轧后直接进入在线热处理设备省去了再加热过程使工序简化生产流程紧凑经济性好，淬透性好减少了合金元素的含量同时可降低碳含量钢材焊接性能好。 直接淬火的实质是在热轧终了后，在轧件处于奥氏体组织时，通过急冷处理使轧件组织产生相变马氏体和贝氏体，从而细化晶粒起到改善材质韧性的作用 20。 1.3.5控制冷却存在的问题 （ 1）数学模型。 影响板材温度的因素多面复杂，包括：带钢材质、厚度、速度、冷却水量、水压、水流运动形态、终轧温度、热传导、对流、辐射条件和冷却装置的设备状况等，因而难以在数学模型中全部考虑和精确描述，增加了准确控制的难度。 （ 2）冷却的均匀性。钢板轧制过程中一般头部和尾部比中间部分的温度低。在采用恒速输送时，钢板的终止冷却温度从头至尾呈线性降低。造成长度方向上冷却不均匀。由于水在上下表面的停留时间和流动状态不同，所以造成上下冷却的不均匀性。如北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 果对此不加以控制，则会造成钢板的翘曲。钢板轧制过程中边部由于与水接触更多会产生更大的 温度下降，同时边部的下喷水回落到板面上，造成宽度方向冷却不均匀。 （ 3）控制滞后。卷取测温仪通常安装在冷却区外 10 多米的位置，相对控制点，检测滞后很大，严重制约了常规反馈控制方式的使用。此外，控制阀的开闭及冷却水从出水口溅落到带钢表面，都存在较大的滞后效应，给动态控制带来不利影响。 1.3.6提高控制冷却均匀性的措施 冷却钢板外形的平坦和冷却均匀是对轧后冷却装置的基本要求之一。为此要采取各种措施来保证钢板在长度、宽度、厚度（特别是上、下表面）上的冷却均匀。为使钢板长度方向冷却均匀，在板长允许的条件下，应采用 同时冷却方式。如果钢板长度接近或大于冷却装置长度，就应采用连续冷却方式。采用同时冷却方式时，如果冲击区纵向间距较大，应选用较高的摆动速度，反之则改用较低的摆动速度。采用连续冷却方式时，为了沿钢板长度方向获得一致的终冷温度，钢板进人控冷区后，应以匀加速运动方式通过冷却装置，使钢板在整个长度方向上冷却的终止温度均匀；如果钢板以匀速运动方式通过冷却装置，此时要逐渐减少冷却装置的喷水量。钢板头尾部的均匀冷却通常靠延迟开启喷水（对头部）和提前关闭喷水（对尾部），个别也有采用遮蔽机构的办法。 厚度冷却的均匀是靠改变下喷 嘴的喷射角度以增加水流在钢板下表面的停留时间和增加钢板下表面的喷水量来实现的，后者是最主要和有效的方法。上下水量比将视总水量而定，总水量越大，下水量上水量的比值越小。 宽度方向冷却的均匀是靠上喷嘴采用横向不均匀水量分布（如水幕采用中凸形的水量分布，管层流采用 U 型管直径变化或间距变化），下喷嘴改进喷射角度，同时对上喷嘴（和下喷嘴）采用横向遮蔽机构。有资料介绍，当钢板边部的水流速度约为中心的75时，可达到近似横向均匀冷却的目的。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 10 - 2流体概述 2.1 流体运动研究方法 研究流体运动规律的主要方法有三种： 一种是实验研究。以实验为研究手段；第二种是理论分析方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析解；三是数值模拟。实验法需要耗费大量时间和资源，对于理论分析方法，对于较复杂的流体运动现象仍然无能为力。 流体运动规律以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，与固体力学不同之处是流体在运动过程中时刻变化，导致求解复杂。控制流体运动的方程属于非线性偏微分方程，所以，在解决流体问题时，除了简单运动外，一般不易求解。随着计算机的发展，出现了比较著名的软件如： FLUENT、 CFX、 STAR-CD 等。在解决本文中的流体问题中，主要采用 FLUENT 软件进行求解。 2.2 流体相关性质 1）密度 流体密度是指单位体积内所含物质多少。如果流体密度均匀，则有： mV（ 2-1） 在公式 2-1中， 为该流体的密度。 m为对应流体的质量， V 为对应流体的体积。对于不均匀的流体，流体的密度每一处均不相同，所以流体的密度公式采用微分形式，表示某一点处流体的密度。 0limVmV （ 2-2） 流体密度的重要性质是它的值会随着压强和温度的变化而改变。 2）流体的压缩性 流体的压缩性是指随着外界条件 (如外界压强以及流体的温度 )的改变，流体的密度和体积发生变化的现象。描述流体压缩性常用的两个量是：（ 1）流体的等温压缩率 ；（ 2）流体的体积膨胀系数 。 流体的等温压缩率 的定义如下： 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 11 - /VVp (2-3) 由式 2-3 所示，该式表示温度的恒定时，每增加单位压强所产生的流体体积相对变化率。 流体的体积膨胀系数 定义为： /VVT （ 2-4） 由式 2-4 得到，压强恒定时，增加单位温度所产生的流体体积相对变化率。 在对流体问题进行分析时，考虑流体的可压缩性时，我们把该流体成为可 压缩流体，如果不考虑流体的可压缩性，我们把该流体称为不可压缩流体。在本文中，考虑到气雾冷却系统中流体处于稳定状态，温度和压强不发生变化，所以，对待该流体问题，我们可以忽略其可压缩性。 2.3FLUENT 软件求解 FLUENT 程序软件由以下软件组成： 1） GAMBIT 软件，主要用于几何模型的建立和对几何模型进行网格生成。 2） FLUENT 软件，主要用于对于流体问题的模拟求解。 3） prePDF 软件，主要用于 PDF 燃烧过程的模拟。 4） TGrid 软件，主要用于从现有的边界网格生成生成体网格。 5） Filters 软件，将其他程序的网格进行转换，用于 FLUENT 计算。 本课题中的流体问题主要使用了 FLUENT 程序软件中的 GAMBIT 和 FLUENT 进行计算模拟。 对于 FLUENT 求解方法，有： （ 1）非耦合求解； （ 2）耦合隐式求解； （ 3）耦合显式求解； 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 对于高速可压缩流动，需要考虑体积力的流动，求解该流体问题需要网格比较密集，一般采用耦合隐式求解；本课题流体问题相对简单，可以采用默认的非耦合求解方式求解。 在设置边界条件时，本文中出现的流体问题，进口压力和出口压力已知，所以采用了 Pressure-inlet 以及 Pressure-outlet，设置进口边界条件为压力入口（ Pressure-inlet）代表进口流量或流动速度未知而流体入口处压力已知的情形；而出口边界为 Pressure-outlet表示了该流体问题中流体出口上的静压是定值，本课题中的流体出口为外界大气压。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 13 - 3气雾冷却设备的设计 3.1 气雾冷却设备方案 3.1.1模型的建立和参数设置 在模具钢进入气雾冷却区域时，气雾冷却设备中的流体水和气的参数都达到了稳态，这样才可以使得模具钢在冷却过程中水雾时刻是等强度的。因此，我们只 需要研究气雾冷却设备中达到稳态的流体，不需要考虑流体的过渡过程。对于管内流体，其温度基本保持不变，所以可以忽略其热交换过程。水可视为定常不可压缩粘性流体流动，其控制方程只有连续性方程和运动方程， 在划分网格时，将喷嘴处的网格加密，以获得较高的计算精度 21。 对于气雾冷却设备中的流动情况，我们可以划分它的边界条件为：进口边界(PRESSURE-INLET)、出口边界（ PRESSURE-OUTFLOW）、壁面边界（ WALL）。对于进口边界条件的设置，由于水流经过较长管道的运动，可以认为它的流速和压力是均匀的。 所以进口边界条件设为 P=0.5MPa。设置喷嘴的出口边界时，由于喷嘴的流速是未知的，而它的压力是常数即外界大气压，设 P=0.1MPa。 将假设好的方案进行建模，用 FLUENT 软件分析时，为了简化计算，节约时间，并且反应喷嘴出口的流量分布，我们采用了二维模型，从而定性的分析出喷嘴出口流量曲线形状。为了使模具钢得到均匀冷却，理想状况下的喷嘴的流量曲线应为中凸类抛物线。 3.1.2气雾冷却设备方案设计 气雾冷却设备的方案类型 1）气雾冷却设备方案设计一 图 3-2 所示为气雾冷却系统方案一，即在管道左侧通入水和气 ，由焊接在管道上的 17 个喷嘴喷出流体。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 图 3-2 设计方案一图示 对于气雾冷却设备方案设计一，假设 17个喷嘴均匀分布，并且每个喷嘴之间的距离均为 50mm，其它外形尺寸如图 3-2所示。在模型简化时，由于用 FULENT软件对水和气的管道同时建模属于二相问题，处理起来复杂，忽略里面流动气体管道的影响，将气的作用视为对水的吹散，以便形成气雾。为了使计算方便，我们采用二维模型，在本章的设计方案中，均采用二维模型。通过 FLUENT软件的分析，我们可以得到气雾冷却设备中的流体在管道内的速度云图和从喷嘴口喷出流体的流速图，如图 3-3 所示和图 3-4所示。 图 3-3 流体在管道中流动的速度云图 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 15 - 图 3-4 从喷嘴口喷出流体的流速图 根据图 3-4，将 17 个喷 嘴从左到右编号。 17个喷嘴中喷出的流体平均流速如表 3-1 所示。 表 3-1 气雾冷却系统设计方案一中从喷嘴口喷出的流体平均速度 喷嘴号 速度（ m/s） 喷嘴号 速度（ m/s） 1 6.2350 10 12.4979 2 7.1343 11 16.1098 3 7.8488 12 14.9327 4 8.6484 13 11.0465 5 9.3793 14 0.6674 6 9.9974 15 22.9997 7 10.7211 16 23.3007 8 11.4472 17 21.5902 9 11.9658 根据表 2-1做出设计方案一中从喷嘴喷出流体的平均流速曲线，如图 3-5所示。 图 3-5 设计方案一的从喷嘴口喷出流体的平均流速曲线 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 16 - 根据图 3-5所示，这种方案所得到的流体曲线为右侧喷嘴流量相对较大，左侧流量相对较小的曲线。流速在 1 11 号喷嘴间流速缓慢增大，在 12 14号喷嘴间，流速曲线突然递减，在 14 17号喷嘴间，流速突然增大。我们可以通过改变喷嘴间距使设计方案一的的流体曲线呈现中凸曲线形状。但是通过改变喷嘴间距使得喷出的流体呈中凸曲线的方法会使得设计复杂，同时，该方 案适用于空间较小的情况下。由于气雾冷却设备的空间足够，所以可以考虑更佳方案。 2） 气雾冷却设备 方案设计二 如图 3-6 所示， 气雾冷却设备方案二 由管道上端通入水和气，并且由供水管和供气管下端的 17个喷嘴喷出流体。并且将 17 个喷嘴从左至右分别编号。 图 3-6 设计方案二简图 在 气雾冷却设备 设计方案二中，假设 17个喷嘴均匀分布，并且喷嘴间间距均为50mm，其它外形尺寸如图 3-6所示，通过 GAMBIT 软件建模，并且用 FLUENT软件分析可以得到 气雾冷却设备 设计方案二中的流体在管道中流速分布云图和从喷嘴口喷出流体的流速如图 3-7和图 3-8所示。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 图 3-7 设计方案二的管道中流体流速分布云图 图 3-8 喷嘴喷出流体的流速图 根据 FLUENT软件分析 ，可以得到气雾冷却设备设计方案二中 17 个喷嘴喷出的流体平均流速表，如表 3-2所示。 表 3-2 方案设计二中从喷嘴喷出流体平均流速表 喷嘴号 速度（ m/s） 喷嘴号 速度（ m/s） 1 15.5994 10 18.5828 2 14.5697 11 11.3088 3 8.0057 12 6.8670 4 12.2928 13 3.3597 5 2.0265 14 1.0800 6 2.4761 15 3.6734 7 7.2091 16 6.8801 8 17.1569 17 14.6317 9 21.8614 根据表 3-2中的数据做出从喷嘴口喷出流体速度曲线，如图 3-9 所示。 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 18 - 图 3-9 设计方案二的从喷嘴口喷出的流体平均速度分布曲线 观察气雾冷却系统设计方案二中从 17 个喷嘴口喷出的流体平均流速曲线，发现所做出的流体曲线为中间凸但是两侧也凸的曲线即中间喷嘴和两侧喷嘴喷出流体的流速较大，其余部位的喷嘴喷出的流体流速相对较小。虽然通过改变喷嘴分布使得喷出的流体曲线特性，使其仅具有中凸特性，但是调节过程相对复杂，用时也比较多。因此我们可以考虑更佳方案。 3）气雾冷却设备设计方案三 如图 3-10 所示，气雾冷却设备设计方案三中， 设置两根对称管道通入水或气，并且由供水管和供气管下端的 17个喷嘴喷出流体。 图 3-10 设计方案三的简 图 北京科技大学本科生毕业设计（论文） - 19 - 在气雾冷却设备设计方案三中，假设 17个喷嘴均匀分布，并且喷嘴间间距均为50mm，其它外形尺寸如图 3-10所示，通过 GAMBIT软件建模，使用 FLUENT 软件分析得到气雾冷却设备设计方案三的流体在管道中流动时流速分布云图和从 17个喷嘴喷出的流体流速图。如图 3-11和图 3-12所示。 图 3-11 设计方案三的流体在管道中流动时流速云图 图 3-12 设计方案三的从喷嘴口喷出流体速度分布 使用 FLUENT软件分析气雾冷却设备设计方案三的模型，可以得到从 17 个喷嘴口喷出的流体平均流速数据表， 如表 3-3所示。 北京科技大学