連續(xù)式工業(yè)爐內(nèi)的流動與傳熱特性模擬研究

王花蕾,吳雪瑩

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學院,陜西 咸陽 712100；2.長安大學 運輸工程學院,陜西 西安 710064)

電弧焊電極在各行業(yè)機械結(jié)構(gòu)施工中起著重要的作用[1]。在電極被加工成最終狀態(tài)之前，通常需要在熔爐中進行一定的高溫熱處理。電極沿熔爐長度移動，并根據(jù)應用情況，采用各種不同的傳熱機制進行處理從而確保其滿足不同行業(yè)的特殊需求[2-3]。這種熱處理是保證焊接質(zhì)量和滿足所有機械、冶金、環(huán)境和經(jīng)濟措施所必需的。本文對一種用于固化電弧焊接電極的連續(xù)式工業(yè)爐(簡稱固化爐)內(nèi)流場進行了模擬分析[4-6]。該固化爐采用五臺風扇來使換熱器內(nèi)的熱流場進行循環(huán)從而達到對爐體中各電極均勻加熱的作用，其中爐體中溫度的分布對于成品品質(zhì)至關(guān)重要，那么分析爐內(nèi)的溫度及流場分布從而精準控制熱處理過程具有重要意義。然而，由于瞬態(tài)、多維、湍流等流動條件以及不同傳熱方式同時存在，很難準確、快速、廉價地得到溫度分布[7-9]。隨著計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，為采用計算流體力學獲得瞬態(tài)流場和溫度場、檢驗熱物理參數(shù)和幾何參數(shù)的優(yōu)化提供了有效的工具。

本文提出了一種用ANSYS Fluent進行的數(shù)值計算方法來研究固化爐內(nèi)的非等溫流動現(xiàn)象。本文創(chuàng)新地采用了兩種重要的建模策略，首先，本文考慮與時間相關(guān)的邊界條件，以避免建模電極在爐內(nèi)移動所需的動網(wǎng)格計算量。本文不是向前移動電極，而是在固定的幾何結(jié)構(gòu)(熔爐的固定段)內(nèi)求解，并通過與電極相同速度向后移動的時間相關(guān)邊界條件來模擬熱空氣流入，從而獲得了工業(yè)爐內(nèi)的溫度及流場分布。同時模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比以確保所提出的計算模型合理，從而為熱處理電弧焊電極的固化爐設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 爐體結(jié)構(gòu)和電極布置

本文研究的電極連續(xù)固化爐由預熱段、加熱段和冷卻段組成，分別為10、9.8和4.7 m。需要固化的電極以0.002 8 m/s的速度緩慢通過整個熔爐[10]。因此，電極在上述每個爐區(qū)分別處理59.5、58.5和28 min。空氣通過左右兩側(cè)噴嘴進入爐體內(nèi)，與電極交換熱量，然后從底部離開。圖1(a)為預熱區(qū)到加熱區(qū)的截面。弧焊電極的中心有一根由特定材料覆蓋的桿。它的長度為450 mm，內(nèi)徑為4.95 mm，外徑為7.2 mm。一系列的電極被固定在一個寬度700 mm托盤之上，圖1(b)所示為被固定在托盤上等待熱處理固化的電極實物圖。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)及電極布置圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

要對爐體內(nèi)的溫度場及流場進行精準模擬，模型的建立及網(wǎng)格的劃分是十分重要的。由于電極內(nèi)徑僅為4.95 mm，而長度為450 mm，這種尺寸上的巨大差距會給網(wǎng)格劃分帶來巨大困難。如過分考慮電極厚度方向的網(wǎng)格將會造成模型計算量過大，而如果劃分不夠細致就難以有效分析電極表面的溫度分布。本文采用整體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法得到了模型的網(wǎng)格劃分圖，為精準捕獲電極表面的溫度場在電極表面進行梯度網(wǎng)格劃分，即越靠近電極表面網(wǎng)格越密，這樣可盡量減少整體模型的網(wǎng)格數(shù)量，同時為進一步研究網(wǎng)格對其計算的影響分別建立了不同數(shù)量的網(wǎng)格劃分體系(60 000，80 000，144 000)，圖2所示分別為爐體幾何模型及網(wǎng)格劃分圖。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界設(shè)置

本文設(shè)置固化爐的空氣進口速度為1 m/s，溫度為363 K。電極在爐體內(nèi)的移動速度為0.002 8 m/s。實際電極分為兩部分材料即中心材料和表面材料，兩種的物性參數(shù)不同，因此本文按照實際的電極結(jié)構(gòu)建立的兩層結(jié)構(gòu)并設(shè)置了相應的密度、比熱容和導熱系數(shù)等參數(shù)，具體數(shù)值如表1所示。

表1 電極的物性參數(shù)

3 結(jié)果與討論

本文在計算溫度場中分別采用了兩種計算精度對溫度場進行計算分析，圖3所示為Z=10 m處電極(第12層)表面的溫度隨時間變化對比結(jié)果，爐內(nèi)的電極隨著時間的推移依次經(jīng)過預熱段、加熱段和冷卻段，60 min時電極剛好完全經(jīng)過預熱段處理進入加熱段，此時電極表面溫度大約在380 K，隨后進入加熱段此階段電極主要完成高溫都固化，電極表面溫度基本保持在385～390 K，持續(xù)時間大約為60 min。最后電極緩慢進入冷卻段此階段電極表面溫度呈線性下降趨勢。從模擬結(jié)果來看模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果基本吻合，偏差不到5 K，相比于一階計算精度來說二階計算精度對于溫度的細節(jié)變化方面更加精準，因此本文后續(xù)的計算結(jié)果均為二階計算精度所得。

圖3 Z=10m處電極(第12根)表面的溫度隨時間變化對比結(jié)果

圖4顯示了t=75和135 min時不同高度電極托盤的熱流分布。其中計算結(jié)果中負值表示熱量傳遞到表面，從圖4(a)加熱段托盤的熱流分布可以看出，頂部和底部以及邊緣處熱流較大，主要是因為這些位置靠近加熱區(qū)域的進風口和出風口此部分換熱劇烈熱流的交換也比較大。在靠近托盤中心部位熱流相對較小，這主要與托盤之間的空氣速度幅度減小有關(guān)。圖4(b)為冷卻段的熱流場分布圖，可以看出在冷卻段熱量主要從外表面向內(nèi)部傳遞，此外，由于冷卻區(qū)中噴嘴的不對稱布置，在該區(qū)域中幾乎所有的托盤都出現(xiàn)了單側(cè)傳熱現(xiàn)象。從對加熱區(qū)和冷卻區(qū)的熱流場模擬結(jié)果來看，不管在加熱區(qū)還是冷卻區(qū)，其不同截面高度的托盤熱流分布并不均勻，在靠近進出風口及托盤邊界處換熱較為劇烈而在中部換熱情況相對較弱，因此容易導致溫度分布不均勻，最終因固化溫度不均勻而影響電極質(zhì)量。

圖4 熱流場分布模擬結(jié)果

圖5為爐體內(nèi)氣體流動軌跡圖，即在t=75 min(加熱區(qū))和135 min(冷卻區(qū))時，空氣顆粒從噴嘴到爐膛出口的軌跡。從圖5中可以看出由于托盤之間的距離較短，只有一小部分空氣進入不同高度電極托盤之間的區(qū)域。大部分氣流直接經(jīng)電極托盤邊緣被引導至爐膛出口，見圖5(a)。圖5(b)顯示，在冷卻區(qū)空氣僅從右側(cè)壁進入冷卻區(qū)(冷卻區(qū)左側(cè)壁上沒有噴嘴)，然后繞過托盤離開爐膛。空氣流動的不均勻也是導致溫度分布不均勻的主要問題。通過分析需要整個電極固化爐內(nèi)的布置進行優(yōu)化，為確保加熱區(qū)和冷卻區(qū)流場的均勻分布，應適當增加每層電極之間的距離，冷卻區(qū)空氣的進口應調(diào)整位置盡量使其正對每層電極的空間縫隙。最后由于最上層和最下層電極托盤出的對流較為劇烈應采用耐磨損材料以增加其使用壽命。

圖5 爐內(nèi)的空氣流動軌跡圖

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法對連續(xù)式工業(yè)爐內(nèi)的溫度場及流場進行了模擬研究，首先通過溫度場的模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果對比，確定了最佳的二階計算精度，同時驗證了模擬方法的可靠性。通過對熱流場和氣體流動軌跡的分析，提出了對現(xiàn)有電極固化爐的優(yōu)化設(shè)計方法，從而為用于電極固化的連續(xù)式工業(yè)爐的設(shè)計提供理論依據(jù)。