中注式澆注系統仿真分析

劉晶峰

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門361021）

目前，鑄造過程數值模擬技術［1-3］已進入工程實用階段.從理論上對液態金屬在澆注系統中的流動過程進行數值模擬，可以更好地了解液態金屬的流動形態、壓力分布等，更好地設計與優化澆注系統.對于不同的澆注系統，只需要在計算機上建立不同的幾何模型，不需要制造實物模型，因此具有更廣泛的適應性.本文利用三維流動過程數值模擬的方法，對典型的中注式澆注系統進行模擬分析.

1 數理模型

液態金屬充型過程的三維運動狀態可用質量守恒方程和動量守恒方程來表示.質量守恒方程（連續性方程）和動量守恒方程（Navier-Stokes方程）分別為

式（2）中：ρ為流體的密度（kg·m-3）；γ為流體的運動粘度（m2·s-1）；P為流場中（x，y，z）點的壓力（Pa）；u，v，w為（x，y，z）點的流速在3個坐標軸方向的速度分量（m·s-1）；gx，gy，gz為重力加速度在3個坐標軸方向的分量（m·s-1）.

2 結果與分析

數值計算采用目前流行的SOLA-VOF（solution algorithm-volume of fluid）有限差分流體力學計算方法.用SOLA法求解壓力場和速度場，用VOF法確定流動域和自由表面［2］，利用傅立葉導熱定律計算充型過程金屬液流溫度場［3］.

利用自主開發的金屬液態成形工藝分析系統，分析計算底注式澆注系統.為便于計算，鑄件設計為簡單長方體，大小為300mm×100mm×50mm；澆注系統采用等截面，尺寸為30mm×30mm.取網格步長Δx＝3mm，對整個鑄件／型系統進行均勻網格剖分［4］，總網格數為780 900，鑄件（包括澆注系統）網格數為68 240.剖分后得到的鑄件實體，如圖1所示.

計算為充型過程流動與傳熱耦合計算，鑄件材質選取ZG230-450，其主要熱物性參數選自文獻［5］，鑄件充型時間（t）約2.19s.對計算數據進行可視化處理［6］，主要通過“體積填充”、“色溫填充”、“充型速度”和“壓力分布”等4種表達方式，觀察分析液態金屬流經澆注系統充填鑄型型腔的細節變化.除可了解液態金屬充填型腔的先后次序，更重要的是可獲取流體充型過程的速度場、壓力場和溫度場等物理場信息.

液態金屬充填型腔的先后次序，如圖2所示.從圖2可以看出：0.30s時液流到達直澆道底部，進入內澆道；在0.50～1.10s時，液流噴濺式進入型腔；在1.50～1.90s時，液流漫過內澆口，流股趨于平穩；約在2.19s時，完成充型.

圖1 鑄件剖分實體Fig.1 Split entity of casting

圖2 體積填充效果圖Fig.2 Diagram of volume filling

液流充型過程中流速的分布及變化情況，如圖3所示.從圖3可以觀察到：隨著充型時間的持續，液流速度越來越快，到達直澆道底部時流速達到峰值；進入內澆道后，由于流體方向發生轉折，動量變化顯著；進入型腔后，大動量流體依靠慣性繼續前行，但由于直澆道壓力頭小于底注式，流體動量相對較小，液流無法抵達澆口對面的側壁，而是呈噴濺狀下落；隨著充型過程的持續，下落流體漫過型腔底部后形成較劇烈的渦旋，渦旋現象在液流漫過內澆口前一直存在且較劇烈，形成了以內澆口為界的下部渦旋區；當液流漫過內澆口后，該渦旋區逐漸弱化，但隨后的液流有相當一部分直接經由內澆口進入型腔上部而形成新的渦旋區，該渦旋區在靠近型腔的內澆口一側演化發展.

圖3 充型速度效果圖Fig.3 Diagram of filling velocity

金屬液充型過程的壓力分布及變化情況，如圖4所示.從圖4可以看出：直澆道充滿后，其壓力分布呈下大上小的特征，與靜壓力相仿；型腔內液流漫過內澆口以前，負壓區一直存在；金屬液漫過內澆口后，直澆道的壓力頭開始作用于型腔內流體，型腔內液流基本處于正壓態，只是下部渦旋區壓力值較高，而上部渦旋區壓力值較低.這也說明了下部渦旋區的弱化（流體速度下降）成就了上部渦旋區（流體速度增大）.

充型期間金屬液的溫度分布及變化情況，如圖5所示.從圖5可以看出：直澆道至內澆道部分的金屬液溫度較高，形成明顯的高溫區；上下渦旋區的存在使得先后進入該區的液流充分混合，金屬液溫度較平均，但低于高溫區溫度.

圖4 壓力分布效果圖Fig.4 Diagram of pressure distribution

圖5 色溫充填效果圖Fig.5 Diagram of color-temperature filling

中注式澆注系統充型計算的結果是，充型過程不平穩，型腔內存在兩個明顯的上下渦旋區.液流漫過內澆口之前，下渦旋區不斷演化發展，范圍不斷擴大；流漫過內澆口之后，下渦旋區盡管一直存在但逐漸弱化，而上渦旋區則不斷演化增強.澆道壓力頭作用弱于底注式，型腔內液流到達內澆口時直澆道的壓力頭才作用于型腔內流體.由于渦旋區的存在，型腔內流體溫度分布較均勻，但低于直澆道內的流體溫度，分析結果與實際中注式澆注系統特點相仿.

3 結論

對液態金屬在澆注系統中的流動過程進行數值模擬，可以更好地了解液態金屬在澆注系統中的流動形態、壓力分布等，從而優化鑄件澆注系統.以SOLA-VOF有限差分流體力學計算方法，求解壓力場、速度場、流動域和自由表面，以傅里葉導熱定律耦合計算金屬液流的溫度場.結果表明：仿真分析特征與實際中注式澆注系統較吻合，具有一定的實際應用價值.

［1］ 劉晶峰，李洪友，江開勇.大型鑄鋼件凝固過程數值模擬［J］.鑄造技術，2011，32（4）：446-448

［2］ 劉晶峰，李洪友，江開勇.液態金屬充型過程三維流動場數值模擬［J］.華僑大學學報：自然科學版，2011，32（5）：481-484

［3］ 劉晶峰.液態金屬充型過程流動與傳熱數值模擬［J］.華僑大學學報：自然科學版，2012，33（2）：121-124

［4］ 周建新，劉瑞祥，陳立亮，等.基于STL的射線穿透法網格剖分的研究［J］.鑄造技術，2001（1）：15-17

［5］ 楊全，張真.金屬凝固過程與鑄造過程數值模擬［M］.杭州：浙江大學出版社，1996.

［6］ 劉瑞祥，楊寵.凝固過程數值模擬的可視化研究［J］.中國機械工程，1999，10（4）：42-48.