轧辊深冷处理空间温度场模拟_数值模拟.doc

轧辊深冷处理空间温度场模拟_数值模拟.doc轧辊深冷处理空间温度场模拟_ 数值模拟论文摘要:本文设计一个轧辊深冷处理空间结构,对其进行数学建模。基于流体分析软件 Fluent 对该空间温度场进行计算机模拟计算,验证了轧辊深冷处理过程中换热的非线性, 并根据温度场的分布特点提出了一个简便易行的测温点。计算机模拟的结果能直观地展示温度场的分布情况,是理论研究和工程应用的一种有用的方法。论文关键词:轧辊, 深冷处理, 温度场, 数值模拟引言深冷处理技术在材料中的应用效果已取得了共识。对轧辊进行深冷处理可以有效地提高轧辊的硬度和耐磨性, 但对轧辊进行深冷处理的最佳工艺参数及稳定工艺参数还需要进一步研究探索。轧辊深冷处理空间流场和温度场的分布情况, 尤其是轧辊在深冷处理过程中的温度分布情况对工艺参数的选定影响很大, 而具体处理空间的流场和温度场分布情况主要由深冷处理空间结构、轧辊的外形尺寸和材料热物理性质所决定。利用计算机模拟技术对轧辊深冷处理空间的温度场进行计算机模拟, 是一种经济而有效的方法。模拟空间的流场和温度场的分布情况, 可以为轧辊深冷处理的理论研究奠定基础。通过计算机模拟可以预测轧辊全面冷透的时间, 在工程应用中可以有效防止轧辊未冷透而没有达到预期效果, 或是冷却时间过长而浪费液氮。 1 计算模型 空间模型的几何形状尺寸本文所模拟的轧辊深冷处理空间为一矩形空间,由汽化区和工作区组成,汽化区有效尺寸为 150 600600 ,工作区有效尺寸为 4150600600 。对轧辊进行外形简化,辊身为Φ 3001200 , 两边辊颈为Φ 180900 , 置于工作区的中央。采用液氮作为冷却介质, 在工作区和汽化区的交界面设有轴流风机以实现强迫对流, 强化液氮的汽化速度以及在工作区内的对流速度。在影响传热效率的各因素中,轧辊的材质随需要而定,传热的瓶颈在于流体与固体之间的导热效率。所以要提高降温速度, 就必须有效地减少流体与固体之间的边界层的厚度, 提高流体与固体之间的导热效率, 以更好地满足温度控制的要求, 达到快速而均衡降温的目的。考虑到轧辊一般为长圆柱体的外形特点, 且辊身的直径较大, 在相同的条件下需要更多的冷却时间, 故采用两个汽化区和两台轴流风机,安装于工作空间上方,总体结构图 1 所示: 图1 空间总体结构图 控制方程和边界条件模拟计算采用 CFD 软件 Fluent 进行, 计算区域的网格划分采用四面体和六面体混合划分, 划分间距为 10。由于计算空间内流动参数随时间变化而改变, 为非定常流动, 采用 PIS O 算法进行计算。入口液氮温度设为 78K , 由两个入口同时加入, 每个入口加入量为 , 利用其汽化潜热和显热对初始温度为 300K 深冷处理空间和轧辊进行冷却至 78K 。轴流风机叶轮旋转直径为 300 ,用 Fluent 软件自带的风扇模型简化, 设置其全压为 100Pa 。考虑了重力的影响,同时作了如下几个假设: 1) 认为空间壁面为绝热壁面,即处理空间的壁面没有能量损失; 2) 忽略处理空间内各物质之间的热辐射作用,即只有热传导和热对流两种热能传递方式; 3) 计算区域的流体流动采用 Renormalization-group(RNG)K-epsilon 两方程紊流模型,以提高湍流漩涡方面的计算精度。由此建立以下三个方程: 1) 质量守恒