淬火过程液固耦合传热与流动数值模拟研究.pdf

中国工程热物理学会 多相流 第十一届学术会议 编号：056014 淬火过程液固耦合传热与流动数值模拟 明平剑姜任秋 (哈尔滨工程大学动力与核能工程学院 150001) (tel：0451 e-mail：血型巫垫塑也到茧匦妊虫￡衄) 摘要：本文对淬火过程中的液固耦合传热与流动的计算进行了研究，结合两相流动与沸腾换热的基础 理论，给出金属块淬火的计算模型和方法。文中对汽液两相的流动采用了双流体模型，沸腾过程利用 法相比，本文方法过程简单，通用性强，更适用于工程计算与设计。 关键词：沸腾换热多相流热处理数值计算 1、引言 在铸件的热处理过程中，常用淬火来消除内部应力和改善金属的结构，以满足工程 需要，如气缸盖铸造过程。气缸盖铸造成型后经过空冷到一定温度后投入到接近饱和温 度的水中，此时金属表面形成强烈沸腾使气缸盖快速释放的大量热量。通常对于几何结 构复杂的铸件会因为应力分布不均而产生裂纹，给生产带来严重后果，因此对淬火过程 中的传热传质规律进行研究并精确的预报过程中的应力分布情况具有重要意义。在传统 的淬火过程中传热计算采用的方法是基于导热方程反问题求解方法“’“…，这种方法的计 算需要通过实验或者其它手段得到表面传熟系数，属于流体与固体单独求解方法，过程 复杂，通用性差，而且计算的精度不高。为了提高求解的精度和求解过程的通用性，本 文采用了流体与固体耦合求解的方法，对淬火过程中的不同沸腾换热模式采用了相应的 模型。 2、物理模型 本文对一个简单几何结构的金属铝块 (20．5cmXl4．5cmXl．5cm)作了计算，先对金属 块加热到高温，然后空冷到500。C左右，将 symmetri。 其投入到(1mXl．6mXO．3m)的水池中，取几何 体的四分之一作为计算区域，建立如图1的 坐标系。水面高为0．7m，水温度为980c。水 快速吸热在金属表面形成强烈的汽化，并很 快形成一层汽膜，固液之间形成膜态沸腾换 热。随着金属的冷却，表面温度降低，汽膜 撕裂，沸腾模式过渡到核态沸腾，传热强度 极大的提高，壁面温度随时间的变化更快。 由于在淬火过程经历了两种不同的沸腾换 F磊1．几何结构模型 热，对不同的换热机制应采用相应换热模型。 2．1膜态沸腾换热模型 态沸腾实验研究和理论分析，给出换热模型，此模型得到广泛的应用“3。本文对膜态沸 腾换热采用了Bromley计算关联式： ^：o．62I笪!!塑二璺鳖垒：!：竺竺竺I (1) 【 Do肌AT j 式中：h一表面传热系数h。一汽化潜热D。一汽泡直径△71一壁面过热温度 通过将上面的芙联式转化为相变率的计算。 310 2．2核态沸腾换热模型 核态沸腾过程和流动的关联更为密切，影响的因素也更多，很多学者对不同的情况 给出了适合各自情况的各种模型。核态沸腾换热机理的模型主要有：气泡扰动模型、蒸 汽一液体交换模型、微层蒸发模型以及组合模型。本文研究对象结构简单，可以近似的 简化为竖直平板的沸腾换热。本文对核态沸腾换热计算利用了Rohsenow模型[5]： 俐，％[掣兀竺Cchygp]]3 ㈤ 式中：q一表面热流密度C，--Rohsenow系数P。一液体的普朗特数 3、数学模型 3．1控制方程 本文对汽泡和液体都作为连续介质，采用了双流体模型来计算；汽液两相均作为不 可廑流体，汽体与液体具有相同的压力和温度，得出了两相流动的控制方程： 1．连续性方程 了,Yakpk+V．akPkV女：帆