雾化气体淬火过程中流场与传热的数值模拟

论文摘要

雾化气体作为一种全新的淬火介质,以其淬火效果好、无污染、成本低等优点,越来越受到人们的重视。但由于起步较晚,雾化气体淬火技术至今仍然处于实验研究阶段。无论是淬火设备开发,还是淬火结果测试都存在一定的困难。随着计算机技术的迅猛发展和人们对淬火试件质量要求的不断提高,淬火过程的计算机模拟就显得越来越重要。目前,国内外对淬火过程的模拟计算研究还不成熟,在模型的建立、数值方法的运用以及模拟结果的试验验证等方面都需要做更加深入细致的研究。针对上述问题本文用计算机数值模拟与试验结果相结合的研究方法,着重研究了雾化气体淬火过程中的雾化气体流场以及淬火试件的温度场和热应力场。首先利用大型有限体积软件FLUENT建立了雾化气体流场的模型,分别对集气片与淬火腔内壁的大间隙模型与小间隙模型进行数值模拟,研究模拟结果后发现：在小间隙模型中,集气片可以更好的完成集气和导流的任务。又分别对三种淬火试件置于淬火腔内不同位置的计算模型进行数值模拟,研究模拟结果后发现试件置于淬火腔上部时淬火效果最佳。接着分别对雾化气体流场模型的湍流参数和气液两相分布情况进行了数值模拟,通过分析模拟得出的湍流动能、湍流强度、湍流黏性以及湍流黏性比等参数,验证了所选湍流模型的准确性,从氮气和水的速度、密度以及体积分数等的分布情况,可以看出氮气与水在淬火冷却设备中分布均匀,从而验证了试验过程中边界条件的可行性。最后,利用大型有限元软件ANSYS建立了淬火试件传热的实体模型以及网格模型,并对淬火试件的温度场和热应力场进行了数值模拟,得出了不同时刻温度的变化情况,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析研究,结果显示二者基本吻合,从而验证了雾化气体淬火试验的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 雾化气体淬火简介
• 1.2 雾化气体淬火的计算机模拟及其发展趋势
• 1.2.1 雾化气体淬火过程中流场的计算机模拟及发展现状
• 1.2.2 雾化气体淬火过程中传热的计算机模拟及发展现状
• 1.2.3 雾化气体淬火设备研发现状
• 1.3 论文的主要内容和研究意义
• 1.4 论文工作的创新点
• 第二章 雾化气体淬火过程中流场的试验研究与计算机模拟
• 2.1 气液两相湍流的理论方程
• 2.1.1 流体与流动的基本特性
• 2.1.2 湍流计算方法与基本方程
• 2.1.3 两相流的参数检测与模型
• 2.2 边界条件的测算及流动参数的确定
• 2.2.1 涡街流量计
• 2.2.2 差动远传压力表
• 2.2.3 雾化气体淬火冷却设备
• 2.3 雾化气体淬火过程中场的数值计算
• 2.3.1 雾化气体淬火过程中流场的实体模型及网格模型
• 2.3.2 雾化气体淬火过程中流场的数值模拟结果与分析
• 2.4 实验结果与数值模拟结果的对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 淬火试件温度场的试验研究与计算机模拟
• 3.1 雾化气体淬火过程中的传热理论
• 3.1.1 热量传递方式
• 3.1.2 对流换热理论
• 3.1.3 强制对流换热的计算
• 3.2 雾化气体淬火试件温度场的数值模拟
• 3.2.1 ANSYS热分析简介
• 3.2.2 建立淬火试件的二维传热实体模型与网格模型
• 3.2.3 雾化气体淬火试件材料参数及淬火初始温度设置
• 3.2.4 雾化气体淬火试件温度场模拟结果与分析研究
• 3.3 模拟结果与实验结果的对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 淬火试件热应力场的计算机模拟
• 4.1 应力与应变理论
• 4.1.1 应变场计算的基本假设
• 4.1.2 热弹塑性模型本构方程
• 4.2 热一力耦合效应
• 4.3 应力与应变数值模拟结果与分析研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表的论文