淬火槽中介质流速的测量及流速场的模拟.docx

1、第23卷第2期材料热处理学报2002年6月TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.23No.2June2002淬火槽中介质流速的测量及流速场的模拟陈乃录I,李强廖波1,王葛1,潘健生（1.燕山大学，秦皇岛066004；2.郑州机械研究所，郑州450052；3.上海交通大学，上海200030）摘要：为了研究淬火槽中流速场的分布状态.提高流体均匀性.采用超声波多普勒流速测定仪对螺旋桨搅拌状态下的介质流速进行了测度.用有限元法对流速场进行了模拟.并根据模拟结果对均流片的设置进行了改进。结果表明.试验选用的超声波多普勒流速测定仪及其测谶方法适合于测.业淬火

2、槽的介质流速；流速场的模拟可以用于指导淬火槽流速场均匀性的设计。关键词：淬火槽；流速测量；流速场模拟中图分类号：TG154.4,TB115文献标识码：A文章编号：1009-6264（2002）02-0033-04影响淬火冷却均匀性的重要因素之一是工件淬火冷却所处的流速场的均匀程度，流速场均匀与否取决于淬火槽搅拌及均流结构的设计是否合理，恰当的介质搅拌及均流结构可显著改善淬火件冷却的均匀性；相反，在介质静态下或不均匀流速场下淬火往往会造成冷却不均匀。因此，测地淬火槽中介质流速和研究其流速场，对改进淬火槽的搅拌及均流结构设计具有重要意义。由于淬火槽中介质流动呈紊流态，测量淬火槽中介质的流速和模拟其

3、流速场难度很大。DRGarwood等采用激光多普勒风速仪对试验用淬火槽介质流速进行了测量，并建立了模拟流速场分布的CFD（Computationalfluiddynamic）模型o这些CFD模型由于流速场流向的复杂性以及CFD软件包容量的限制，仍处于定性估测阶段。在国内，上海交通大学阮冬等人进行了气体渗碳炉的流场动力学计算机模拟，但是在液体流场动力学计算机模拟方面尚未见报导。为了研究淬火槽获得最佳流速场的搅拌及均流结构，选用超声波多普勒测速仪对螺旋桨搅拌状态下的介质流速进行了测量，用有限元法对流速场进行了模拟，并根据流速场模拟结果对均流片的设置进行了改进。收|日期：2001-11-22;修订日

4、期：2002-04-10¥金项目：机械工业技术发展基金资助（97JAO4O5）作者M介：陈乃录（1960），男.燕山大学博上研究生；郑州机械研究所热处理工艺装备室，研究员级商工。主要从事热处理冷却技术研究。1淬火槽流速的测量及流速场的模拟1.1流速的测介质流速的测量通常采用皮托管（Pitot-StalicTube）测速仪、涡轮式测速仪（TurbineVelocimeter）、纹影照相（StreakPhotography）测速仪及多普勒（Doppler）测速仪。目前已有采用激光多普勒测速仪测量小型透明容器的介质流速。为了对工业淬火槽的介质流速进行测量，作者设计了超声波多普勒介质流速测量

5、系统（见图1）。测速仪精度为2.0级，重复性误差w0.7%。图1超声波多普勒测速仪系统构成Fig.lUltrasonicDopplerVelocimetersystem图2采用的淬火槽，装液量lm，采用顶插式螺旋桨搅拌，设有介质导流及均流装置，介质为水。表1为螺旋桨在371r/min转速下=0.3.0.6m截面上有、无均流片情况下介质流速的测酸值。1.2流速场的模拟1.2.1模拟的条件假设1）仅考虑螺旋桨向前的推力，忽略其旋转力，螺旋桨的效率按100%计算；2）淬火槽顶部压强为一个标准大气压，水的粘度系数等物性参数按常数处理。34材料热处理学报第23卷«1旋桨在371r/min转速下

6、，Z：=0.3、0.6m横哉面流速测值Table1Theflowratesofmeasurementat371r/miiiandZ=0.3,0.6m均流层面流速/wh"1情况Z/mABCDEFGH1X0.30.530.560.420.590.450.470.540.510.44无0.60.300.370.350.250.340.270.480.370.33有0.30.210.430.410.190.450.320.250.410.37有0.60.200.360.320.180.330.300.160.330.32注：表中A、B、C、D、E,F、G、H、1为图2中淬火槽淬火区域水平截面

7、的坐标点。图2淬火槽结构简图及流场坐标系Fig.2Schematicdrawingofquenchinglank图3淬火槽的有限元网格图Fig.3TheFEMmeshofquenchingtank1.2.2有限元计算方法采用大型有限元软件对三维淬火槽内部流速场进行计算，步骤如下：在三维实体造型软件中建立几何模型，并转换为IGES文件格式，再传入有限元软件；在有限元软件中进行拓扑结构和几何结构的修改，完成几何建模；最后划分网格、加载并给出边界条件进行计算。由于模拟对象尺寸较大、导流及均流结构复杂，因此建模难度大，为了获得良好的网格形状，先采用自由网格划分，然后进行网格局部细化，网格采用四面体单元

8、，设定单元尺寸为0.025m,进行自由网格划分，划分的总体单元数目约为19万个，节点总数约为3.6万个，网格划分如图3所示。1.2.3流速场的模拟表2为螺旋桨在371r/min转速下Z=0.3、0.6m截面上有、无均流片情况下介质流速的模拟结果C2 均匀流速场的建立为了获得较均匀流速场的均流片结构，模拟了均流片位置不同的流速场，从中选出可使流速场较均匀的均流结构，并依此对淬火槽的均流片位置进行调整和流速测最，结果见表3。3 分析讨论3.1流速的测由于螺旋桨搅拌方式会使介质呈大流量素态运动，有利于将淬火件周围的热ft均匀带走，因而在浸液淬火中被广泛采用。但是，介质呈素流态运动时流速的测量难度大，

9、通过对现有的几种测试方法分析后，本文采用了超声波多普勒测速仪c由于超声波多普勒测速仪的发射和接收声波探头是直接浸入介质之中，所以不受介质及容器的透明度和容器大小的限制，测得的流速是探头之间表象点的速率.（而不仅仅第2期陈乃录等：淬火槽中介质流速的测最及流速场的模拟35是测量丫轴方向的速度），这与模拟得到的由x、y、淬火槽中介质的流速。本文采用的超声波多普勒测z方向速度分量所求得的合速度量值具有可比性。速仪测量淬火槽中介质流速的方法目前尚未见报导。该方法与激光多普勒测速法相比更适合于测量工业表2Table蛎旋桨在371r/min转速下Z=2Theflowratesofsimulation；0.3

10、.0.6m横裁面流速模拟值at371r/minandZ=0.3,0.6m均流层面流速1情况Z/mABCDEFGHI无0.30.750.300.210.670.130.260.690.200.24无0.60.460.330.250.440.280.2B0.440.280.29有0.30.160.520.380.200.510.180.160.580.16有0.60.150.310.330.110.400.230.150.430.22表3均流片改进后蚂旋桨在371r/min转速下Z=0.3.0.6m横截面流速模拟与实测值Table3Theflowratesofsimulationandmeasur

11、ementat371r/minandZ=0.3、0.6m(improvedflowbaffles)层面流速/msZ/mABCDEFGHI0.3（模拟）0.330.370.540.200.330.150.190.330.170.6（模拟）0.210.240.310.200.250.310.210.240.300.3（实测）0.280.410.360.250.380.360.270.400.300.6（实测）0.220.350.300.210.330.300.190.320.283.2端旋桨旋向的影响介质是在螺旋桨的旋转力推动下作旋转向前的运动，会造成Z层面沿X和丫轴的流速不均（表1、表2）,这种

12、不均匀性随着流体的向上运动逐渐减弱。3.3均流的作用介质在螺旋桨旋转力的作用下作旋转向前的运动，除旋向造成流体运动不均匀外，还有一个向前运动的冲力起作用，这个冲力会造成流体在Z层面沿X和丫轴的流速不均，沿X轴尤为严重。通过均流片的合理设置，会有效改善流速场的均匀性（表3）。3.4流速场的均匀性从测量和模拟结果得出流速的均匀性由底部向上逐渐提高，在淬火槽中存在一个流速相对稳定的流速场均匀区域，这个区域的尺寸随着均流效果的提高而增大，工件在这个区域淬火有利于提高冷却的均匀性。3.5流速场的模拟误差图4、图5是对模拟和实测的流速值进行对比，虽然模拟和实测相比有一定误差，但是模拟结果基本可以反映出实际

13、流速场的趋势。产生误差的原因之一是'模拟忽略了螺旋桨的旋转作用力，模拟结果中不图4有均流片设置，螺旋桨转速为371r/min,Z=0.3m层面、丫=O.25m沿X轴模拟与实测的流速分布Fig.4FlowralesofsimulationandmeasurementofY=0.25m,Z=0.3m,Xaxisatthepropellerspeedof371r/min(usedflowbailies)能体现出螺旋桨旋向对均匀性的影响；误差的原因之二是模拟是在假设螺旋桨的效率为100%的前提下进行的。3.6流速场模拟的应用通过流速场模拟可以得到较直观的流速场分布，推演出均流片对流体均匀性的影

14、响，进而为均流片的设计提供参考依据。本文利用模拟结果对试验淬火图5有均流片设置.螺旋桨转速为371r/min,Z=0.6m层面、丫=0.25m沿X轴模拟与实测的流速分布Fig.5FlowratesofsimulationandmeasurementofY=0.25m,Z=0.6m,Xaxisatthepropellerspeedof371r/min(usedflowbaffles)槽的均流片设置进行了改进，结果表明，改善后流速场的均匀性得到了改善（表3）o4 结论1）建立了采用超声波多普勒测速仪测量淬火槽介质流速的方法，该方法可推荐用于测髭工业淬火槽的介质流速；2）根据模拟结果改进均流片的设置

15、得到了较均匀的流速场，说明流速场的模拟对淬火槽的搅拌和均流的结构设计有指导意义；3）淬火槽流速场模拟显示，流速场的均匀性由底部向上逐渐提高，在淬火槽中存在一个流速相对稳定的流速场均匀区域，即最佳淬火区，这个区域的尺寸大小取决于均流系统的设计。参考文献TottenGE*BatesECvClintonNA.HandbookofQuenchantsandQuenchingTechnologyM.ASMInternational.Cleveland.1993:344.1 GarwoodDR.ScasJD»WallisRA.WardJ.Modelingoftheflowdistribution

16、inanoilquenchtankJ.JMatEngandPerf.1992,1(6)：781787.3阮冬.潘健生等.特大型气体潘碳炉的流场动力学计算机模拟J).金属热处理，1999,(1):37-40.4OldshueYJ.Scale-upofuniqueindustrialfluidmixingprocessesA.In:Proceedingsofthe5thEuropeanConferenceonMixingC.Wurzburg.WestGermany.1012June,1985,3552.（上接第23页）结论通过分析指出，人们长期居留在被动吸烟环境中，会产生潜在的远期危害。A.1.2

17、要素倒置型报道性文摘例1白普线虫的防治结果在密西西比州的一些地区通过土壤的熏蒸或施加固态的杀线虫剂可以提高白普的收获敏和质fit,商品熏剂vor】ex、DOWW-85和DD在各坚行施用后大大增加了收获量和质欧。vorlex或DOWW-85应施用0.017O4L/m2,DD施用0.0613-0.068L/m2于垄行的中间深20.32-25.4cm处，超前于播种1430天.撒播熏杀也是有效的,但要求有效高集剂水平。结论在试验的固体杀线虫剂中，拜耳（Bayer）68138和达杀尼特（Dasanit）表明是有希里的。方法对根节线虫的研究是1967年蔬菜收获分公司实验站在三行或四行受大批线虫危害的重复和任意的地块上进行的。认为只进行单季大田试验是不够的，还需要更多的信息。例2吸烟对室内空气环境的污染结果对城市住宅区内的一家地下室饮料厅和三家地下室旅社作了吸烟对室内空气污染程度的分析。地下室饮料厅一氧化碳浓度最高为13.23xIO",全营业时间平均浓度为7.69±2.59xIO",超标7.8倍。NO.实测浓度均未超过国家大气一次最高容许浓度，但烟气总颗粒物质（TPM）次最高达2.41mg/mJ,全营业时间平均值为1.51+0.59mg/mJ,一次最高浓度超标4倍，平均浓度