熱金屬表面多噴嘴風冷過程氣-固耦合傳熱模擬

鄒立平，賀連芳，李志超，李輝平

熱金屬表面多噴嘴風冷過程氣-固耦合傳熱模擬

鄒立平，賀連芳，李志超，李輝平

（山東科技大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266590）

獲得多噴嘴風冷過程的界面換熱系數，并研究風冷工藝參數對界面換熱的影響規律。基于Fluent軟件對三噴嘴強制風冷傳熱過程進行“氣-固”耦合分析，獲得高壓氣流的流速場和鋼板表面溫度場。基于“氣-固”耦合分析得到鋼板表面平均溫度曲線，利用自開發的反傳熱軟件計算得到“氣-固”耦合界面換熱系數，并將界面換熱系數以第三類邊界條件施加在鋼板表面進行瞬態傳熱分析。對于直徑為4 mm的噴嘴，當噴嘴間距為10～16 mm時，噴嘴間距對高壓氣體的流速場影響較大，氣流的卷吸效應隨著噴嘴距離的增大而增強；噴嘴間距對界面換熱系數影響較小，噴嘴至鋼板表面的距離對界面換熱系數影響較大；隨著噴嘴至鋼板表面距離的增大，各股氣流逐漸匯合為一股，各股氣流的滯止區也逐漸匯合，鋼板表面溫度更加均勻；將界面換熱系數以第三類邊界條件施加在鋼板表面進行瞬態傳熱分析，得到的鋼板表面溫度與“氣-固”耦合分析得到的鋼板表面平均溫度曲線吻合得較好。獲得的界面換熱系數可為多噴嘴風冷過程數值模擬提供可靠的數據，保證溫度場的求解精度。

風冷；耦合分析；界面換熱系數；氣固界面

風冷技術因環保無污染、冷卻速度可控等優點已廣泛應用于多種熱加工場合。為了獲得理想的風冷工藝參數，許多學者采用有限元方法對擠壓和軋制態鋁合金[1]、鎳基高溫合金[2]、TRIP鋼板[3]、重型軌道[4—5]等零件或材料的風冷工藝進行了數值模擬和優化設計。熱金屬表面的風冷過程是強對流換熱過程，不僅涉及復雜的換熱過程，更涉及流體動力學知識。風冷過程中，高壓氣體與熱金屬表面的界面換熱系數可表征界面換熱能力強弱，因而，研究工藝參數對界面換熱系數的影響規律可為強制風冷工藝的設計和優化提供理論依據和理論指導。然而，界面換熱系數無法通過實驗直接測試，只能基于實驗或氣-固耦合計算得到溫度曲線，利用有限差分法[6]、有限元法[7—8]、有限體積法[9]等進行反向熱傳導分析得到。

目前，針對風冷界面換熱系數的研究多數是單噴嘴風冷過程，主要集中在氣體壓力、氣體溫度、噴嘴與工件距離等工藝參數對冷卻效果的影響規律。Narazaki[10]通過實驗得到以高壓氮氣為冷卻介質時零件的冷卻曲線，并用集中熱容法估算了界面換熱系數，研究結果表明氣體壓力是界面換熱系數的關鍵因素之一。Ferrari[11]研究了氣體淬火過程中介質溫度對界面換熱系數的影響規律，結果表明冷卻介質溫度對界面換熱系數基本無影響。Farzad[12]等的研究結果表明，當噴嘴與工件之間距離變化時，流場卷吸效應也會改變，噴嘴與工件之間的距離是影響界面換熱能力的關鍵因素。單噴嘴過程的流體行為可簡化成軸對稱問題進行模擬仿真，并能得到較好的效果[13]。但是，多噴嘴風冷過程由于多股氣流之間相互影響，必需建立三維模型進行模擬和分析。

對于形狀簡單、小尺寸零件的多噴嘴風冷過程，可利用Fluent軟件進行多物理場耦合模擬，得到零件溫度場。對于形狀復雜、大尺寸零件的多噴嘴風冷過程，進行多物理場耦合仿真比較困難，一般將零件表面換熱系數作為第三類邊界條件，通過界面換熱系數模擬其熱傳導過程并獲得溫度場。為了獲得準確的界面換熱系數，為復雜零件多噴嘴風冷過程的數值模擬提供可靠數據，文中采用數值模擬和逆向傳熱的方法，研究了噴嘴間距、噴嘴到冷卻面的距離等工藝參數對界面換熱系數的影響規律。

1 數值模擬模型及方法

1.1 網格模型

多噴嘴冷卻過程中各噴嘴射出氣體互相影響，在空間上不能跟單噴嘴風冷一樣簡化為軸對稱模型。根據三噴嘴風冷過程的特點，將噴嘴簡化成3個圓形入口，方便后續的網格劃分，兩邊噴嘴和中間噴嘴距離相同，中間噴嘴中心正對鋼板中心。為使流體區域與固體區域耦合傳熱，將流體區域設置成立方體結構。幾何尺寸設置如下，噴嘴直徑為4 mm，噴嘴間距分別為10，12，14，16 mm，噴嘴離鋼板的距離分別為30，60，90 mm，鋼板尺寸為40 mm×40 mm×3.5 mm。

為了保證流體區域更好地與金屬板進行耦合傳熱，且考慮到入口邊界存在，降低網格出錯率，金屬板網格劃分為六面體均勻網格，流體區域網格采用自適應網格自動劃分，有限元模型共包含581 938個節點，295 781個單元，如圖1所示。

圖1 網格

設置流體為理想空氣，鋼板為304不銹鋼，其比熱容、導熱系數隨溫度變化，如表1所示。采取控制變量法，3個入口設置為壓力入口Ⅰ，總壓為200 500 Pa，初始壓力0為0.2 MPa，湍流強度為5%，湍流直徑為4 mm；出口Ⅱ的壓力為0.2 MPa；耦合面Ⅲ為固體域和流體域接觸邊界；其余界面Ⅳ為絕熱面，熱通量為0，環境溫度為20 ℃，固體初始溫度為800 ℃，模擬忽略輻射傳熱。

表1 304不銹鋼導熱系數和比熱容

Tab.1 304 stainless steel thermal conductivity and specific heat

1.2 反傳熱方法

熱金屬表面界面換熱系數的求解屬于反向傳熱問題。反向傳熱是一種靜不定問題，是指零件的溫度場已知，但材料的某些熱物性參數或初始條件未知，根據已知的溫度場通過適當的算法來求解未知參數。為了得到多噴嘴風冷過程的界面換熱系數，基于氣固耦合分析得到溫度曲線，利用反傳熱方法對界面換熱系數進行求解。基于改進的進退法、黃金分割法和有限元方法對界面換熱系數進行求解[8]。

當噴嘴間距為10 mm、噴嘴離鋼板表面距離為30 mm、氣流速度為30 m/s時，利用三噴嘴模型基于Fluent模擬得到的鋼板表面不同時刻軸方向和軸方向的溫度曲線如圖2所示，鋼板表面溫度監測點的間隔為1 mm，隨冷卻時間延長，鋼板中心與邊緣溫度差距減少。基于Fluent模擬得到鋼板表面平均溫度曲線，利用反傳熱方法求解得到的換熱系數如圖3所示。利用反傳熱方法計算得到的界面換熱系數隨表面溫度的變化趨勢與王婧等[14]研究數據的趨勢吻合得較好，但由于噴嘴、工件距離等工藝參數的差異，界面換熱系數的數值有一定差別。

圖2 不同冷卻時刻鋼板表面溫度分布

圖3 反傳熱算法計算換熱系數與文獻[14]對比

2 結果與討論

2.1 噴嘴間距對速度場及界面換熱的影響

在多噴嘴風冷過程中，高壓氣流由噴嘴射出后，各股氣流互相影響，與空氣之間動量交換也發生變化，而且各股氣流在空間的速度分布對界面換熱效率影響極大。為了了解噴嘴間距對氣流速度和界面換熱系數的影響規律，在用Fluent進行氣固耦合分析時選取的噴嘴間距分別為10，12，14，16 mm，噴嘴與金屬板之間的距離為30 mm。

通過氣固耦合分析得到=0截面的氣流速度分布如圖4所示。隨噴嘴間距增加，氣流對壁面的附著力降低，氣流更加發散，冷卻面的接觸流速基本無變化。氣固耦合分析得到=0截面的氣流速度分布如圖5所示。各股氣流與金屬板接觸界面的中心位置為氣流速度低、換熱強烈的滯止區[15]（圖5中字母A標記的區域），各股氣流之間存在流場卷吸現象。噴嘴間距對各股氣流的影響主要體現在冷卻界面附近卷吸效應的強弱不同。隨著噴嘴間距的增大，滯止區之間的流場卷吸效應更加強烈，但噴嘴間距對滯止區影響不明顯。流場卷吸效應降低了高速氣流與周圍空氣流之間的傳熱效率，不利于金屬表面的熱量交換[12]。

采用不同的噴嘴間距對鋼板進行三噴嘴風冷60 s后，鋼板表面沿=0截面的溫度曲線如圖6所示。對于不同的噴嘴間距，鋼板表面=0截面的溫度曲線出現兩個明顯峰頂。當噴嘴間距為10，12，14，16 mm時，峰頂離鋼板冷卻表面中心的距離分別為5，6，7，8 mm。峰頂位置的溫度高于其他位置，這是由于峰頂對應的位置處于紊流區，發生的卷吸效應降低了鋼板與氣流之間的界面傳熱效率。當噴嘴間距為10 mm和12 mm時，除了中部區域兩個明顯的峰頂，鋼板邊緣附近區域的溫度值隨著離邊緣距離的減小變得越來越高，其原因是噴嘴間距較小時，金屬薄板邊緣離滯止區較遠，遠離氣流沖擊區，氣流流動為近壁面層流為主，氣流平緩，鋼板與氣流之間的界面換熱效率降低，導致鋼板表面離中心越遠位置溫度越高。采用不同的噴嘴間距對鋼板進行三噴嘴風冷60 s后，鋼板表面沿=0截面的溫度曲線如圖7所示。=0截面的溫度由中心到邊界逐漸升高，這是由于中心滯止區冷速快，由3個噴嘴射出的氣流沿軸方向沒有發生卷吸作用，鋼板表面沿軸方向呈現中間冷速快、邊緣冷速慢的趨勢。另外，較小的噴嘴間距可使近壁面氣流高速區更加密集，因而噴嘴間距越小鋼板表面冷速越快。

圖4 x=0截面速度場變化

圖5 y=0截面速度場變化

圖6 不同噴嘴間距鋼板表面y=0截面的溫度分布

圖7 不同噴嘴間距鋼板表面x=0截面的溫度分布

當噴嘴間距分別為10，12，14，16 mm時，利用反傳熱方法求解得到的界面換熱系數如圖8所示。隨噴嘴間距的減少，鋼板與氣流界面的換熱系數有少許增大；當噴嘴間距為10～16 mm時，界面換熱系數差別不大，也就是噴嘴間距對界面換熱系數的影響不太明顯。

圖8 不同噴嘴間距界面換熱系數

2.2 噴嘴至界面距離對換熱的影響

為了了解噴嘴至鋼板表面的距離對氣流速度和界面換熱系數的影響規律，在用Fluent進行氣固耦合分析時選取的距離分別為30，60，90 mm，噴嘴間距為10 mm，入口壓力為0.2 MPa。

通過氣固耦合分析得到=0截面的氣流速度分布如圖9所示。隨著噴嘴至鋼板表面距離的增大，兩股氣流之間的卷吸效應明顯減弱。噴嘴至鋼板表面的距離為30 mm時，存在明顯卷吸效應，3股氣流各自形成單獨的滯止區；噴嘴至鋼板表面的距離為60 mm時，卷吸效應消失，3股氣流開始出現合并趨勢，氣流的滯止區基本匯合在一起；噴嘴至鋼板表面的距離為90 mm時，3股氣流在接近換熱界面位置匯總變成一股氣流，形成單一滯止區。

氣固耦合分析得到=0截面的氣流速度分布如圖10所示。隨著噴嘴至鋼板表面的距離增大，氣流與鋼板表面的滯止區面積明顯增大。噴嘴至鋼板表面的距離為30 mm時，沒有出現明顯的近壁面層流現象；噴嘴至鋼板表面的距離為60 mm和90 mm時，在滯止區周邊出現明顯的低流速近壁面層流現象，氣流平緩，阻礙高速氣流與鋼板表面的直接接觸，鋼板與氣流之間的界面換熱效率降低。

圖9 不同冷卻距離下y=0截面速度場

圖10 不同噴嘴至界面距離下x=0截面速度場

噴嘴至鋼板表面的距離為30，60，90 mm，對鋼板表面進行三噴嘴風冷18 s后，鋼板表面軸方向和軸方向的溫度變化如圖11所示。噴嘴至鋼板表面的距離為30 mm時，受各股氣流之間卷吸效應的影響，鋼板表面溫度分布不均勻。隨著噴嘴至鋼板表面距離的增大，鋼板表面中心與邊緣之間的溫度差距減少，鋼板表面沿軸方向的溫度均勻性變好。噴嘴至鋼板表面的距離為30 mm時，氣流與鋼板表面之間的滯止區面積較小，導致鋼板表面溫度分布極不均勻。隨著噴嘴至鋼板表面距離的增大，滯止區面積增大，而且開始出現明顯的近壁面層流區，鋼板表面沿=0截面的溫度均勻性變好。噴嘴至鋼板表面的距離對鋼板表面溫度的變化趨勢影響較大，在相同冷卻時間下，較小的冷卻距離可使鋼板表面冷卻速度增大；多噴嘴風冷過程可通過增大噴嘴至零件表面的距離使零件表面的冷卻更均勻，但冷卻速度會降低。

利用反傳熱方法求解得到的界面換熱系數如圖12所示。隨噴嘴至鋼板表面距離的減小，鋼板與氣流界面的換熱系數明顯增大；噴嘴至鋼板表面的距離是影響多噴嘴風冷過程界面換熱效率的重要參數之一，也是影響被冷卻零件組織及力學性能的主要工藝參數，是多噴嘴風冷過程工藝參數優化的主要對象。

圖11 不同噴嘴至界面距離鋼板表面的溫度分布

圖12 不同噴嘴至界面距離距離換熱系數

2.3 界面換熱系數的驗證

將反傳熱求解得到的界面換熱系數以第三類邊界條件施加在鋼板表面，利用ANSYS Workbench的Transient thermal模塊對傳熱過程進行數值模擬，將模擬得到的鋼板表面溫度曲線與Fluent氣固耦合分析得到的鋼板表面平均溫度曲線進行對比，驗證通過界面換熱系數對多噴嘴風冷過程進行數值模擬的可靠性。假設噴嘴之間的距離為10 mm，噴嘴至鋼板表面的距離為30 mm，將圖12中相應的界面換熱系數以第三類邊界條件的形式施加在鋼板上表面。基于ANSYS Workbench的Transient thermal模塊對傳熱過程進行模擬，得到的鋼板表面溫度曲線如圖13所示。由圖13的曲線趨勢可以看出，基于ANSYS Workbench的Transient thermal模塊對傳熱過程模擬得到的鋼板表面溫度曲線與Fluent氣固耦合分析得到的鋼板表面平均溫度曲線吻合得較好，表明可以將氣固耦合獲得的界面換熱系數以第三類邊界條件施加在復雜零件的表面，通過數值模擬獲得較準確的溫度數據，避免對復雜零件進行氣固耦合分析。

圖13 瞬態傳熱表面溫度與Fluent求解表面溫度

3 結論

基于Fluent軟件對三噴嘴強制風冷傳熱過程進行了“氣-固”耦合分析，獲得了高壓氣流的流速場、鋼板表面溫度場和界面換熱系數。

1）當噴嘴直徑為4 mm，噴嘴至鋼板表面距離為30 mm時，研究了噴嘴間距（10～16 mm）對氣流和界面換熱系數的影響。結果表明，噴嘴間距對氣流影響較大，隨噴嘴間距的增加，氣流卷吸作用加強，但界面換熱系數變化不大，噴嘴間距對界面換熱系數影響較小。

2）保持噴嘴間距為10 mm，研究了噴嘴至鋼板表面的距離（30～90 mm）對氣流和界面換熱系數的影響。結果表明，隨著距離增加，在鋼板表面3股氣流合成一股，滯止區變為一個，鋼板表面冷卻更加均勻，界面換熱系數明顯減小，噴嘴至鋼板表面的距離是影響界面換熱系數的主要因素。

3）基于“氣-固”耦合分析得到的表面平均溫度曲線，通過反傳熱程序求解得到界面換熱系數，并將界面換熱系數作為第三類邊界條件作用于鋼板表面進行瞬態換熱分析。結果表明，瞬態換熱分析得到的表面溫度曲線與“氣-固”耦合換熱得到的溫度曲線基本吻合；獲得的界面換熱系數可為多噴嘴風冷過程數值模擬提供可靠的數據，避免對零件復雜表面多噴嘴風冷過程進行“氣-固”耦合分析，降低多噴嘴風冷過程數值模擬的復雜程度，并可保證溫度場的求解精度。

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Gas-Solid Coupling Heat Transfer Simulation of Multi-Nozzle Air-Cooling Process on Hot Metal Surface

ZOU Li-ping, HE Lian-fang, LI Zhi-chao, LI Hui-ping

(School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to calculate the interfacial heat transfer coefficient (IHTC) of multi-nozzle air cooling process and study the influence of air cooling process parameters on the interfacial heat transfer. With Fluent software, air cooling process with three nozzles was simulated to analyze the gas-solid coupling process, and the velocity field of high pressure airflow and the surface temperature field of steel plate were obtained. Based on the gas-solid coupled average surface temperature curve, the IHTC was calculated by the self-developed inverse heat transfer software, and the transient thermal analysis was carried out by applying the IHTC as the third boundary condition to the cooling surface. When the nozzle space varied from 10 mm to 16 mm (nozzle with a diameter of 4 mm), the nozzle space has a great effect on the velocity field of high pressure flow, and the entrapment effect of flow increases with the increase of the nozzle space. The distance between the nozzle and the steel plate has a greater influence on the IHTC than the nozzle space. With the increase of the distance between the nozzle and the surface of the steel plate, each stream of flow converges into one stream gradually, and the stagnation zone of each stream of flow also converges, then the surface temperature of the steel plate becomes more uniform. The IHTC is applied to the surface of the steel plate with the third type of boundary conditions for transient thermal analysis. The surface temperature of the steel plate obtained is in good agreement with the average temperature curve of the steel plate surface obtained by the gas-solid coupling analysis.The calculated IHTC can provide reliable data for the numerical simulation of multi-nozzle air-cooling process and improve the accuracy of temperature field.

air-cooling; coupling analysis; interfacial heat transfer coefficient; gas-solid interface

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.025

TG161

A

1674-6457(2021)04-0172-07

2021-04-01

國家自然科學基金（51575324）；山東省自然科學基金（2019GGX104009）；教育部產學合作協同育人項目（201902085034）

鄒立平（1995—），女，碩士生，主要研究方向為材料熱處理工藝數值模擬技術。

李輝平（1972—），男，博士，教授，主要研究方向為熱處理工藝有限元數值模擬技術及逆向傳熱技術。