王花蕾,吳雪瑩

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712100；2.長安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

電弧焊電極在各行業(yè)機(jī)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(jìn)行一定的高溫?zé)崽幚?。電極沿熔爐長度移動，并根據(jù)應(yīng)用情況，采用各種不同的傳熱機(jī)制進(jìn)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(jī)械、冶金、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)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(jìn)行了模擬分析[4-6]。該固化爐采用五臺風(fēng)扇來使換熱器內(nèi)的熱流場進(jìn)行循環(huán)從而達(dá)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(zhǔn)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(shí)存在，很難準(zhǔn)確、快速、廉價(jià)地得到溫度分布[7-9]。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，為采用計(jì)算流體力學(xué)獲得瞬態(tài)流場和溫度場、檢驗(yàn)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(jìn)行的數(shù)值計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以確保所提出的計(jì)算模型合理，從而為熱處理電弧焊電極的固化爐設(shè)計(jì)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(yù)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(gè)熔爐[10]。因此，電極在上述每個(gè)爐區(qū)分別處理59.5、58.5和28 min?？諝馔ㄟ^左右兩側(cè)噴嘴進(jìn)入爐體內(nèi)，與電極交換熱量，然后從底部離開。圖1(a)為預(yù)熱區(qū)到加熱區(qū)的截面?；『鸽姌O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(gè)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(shí)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(jìn)行精準(zhǔn)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(jì)算量過大，而如果劃分不夠細(xì)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(zhǔn)捕獲電極表面的溫度場在電極表面進(jìn)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(shí)為進(jìn)一步研究網(wǎng)格對其計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)際的電極結(jié)構(gòu)建立的兩層結(jié)構(gòu)并設(shè)置了相應(yīng)的密度、比熱容和導(dǎo)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(jì)算溫度場中分別采用了兩種計(jì)算精度對溫度場進(jìn)行計(jì)算分析，圖3所示為Z=10 m處電極(第12層)表面的溫度隨時(shí)間變化對比結(jié)果，爐內(nèi)的電極隨著時(shí)間的推移依次經(jīng)過預(yù)熱段、加熱段和冷卻段，60 min時(shí)電極剛好完全經(jīng)過預(yù)熱段處理進(jìn)入加熱段，此時(shí)電極表面溫度大約在380 K，隨后進(jìn)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(shí)間大約為60 min。最后電極緩慢進(jìn)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(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合，偏差不到5 K，相比于一階計(jì)算精度來說二階計(jì)算精度對于溫度的細(xì)節(jié)變化方面更加精準(zhǔn)，因此本文后續(xù)的計(jì)算結(jié)果均為二階計(jì)算精度所得。

圖3 Z=10m處電極(第12根)表面的溫度隨時(shí)間變化對比結(jié)果

圖4顯示了t=75和135 min時(shí)不同高度電極托盤的熱流分布。其中計(jì)算結(jié)果中負(fù)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?yàn)檫@些位置靠近加熱區(qū)域的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)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(jìn)出風(fēng)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(dǎo)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(shí)，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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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?？諝饬鲃拥牟痪鶆蛞彩菍?dǎo)致溫度分布不均勻的主要問題。通過分析需要整個(gè)電極固化爐內(nèi)的布置進(jìn)行優(yōu)化，為確保加熱區(qū)和冷卻區(qū)流場的均勻分布，應(yīng)適當(dāng)增加每層電極之間的距離，冷卻區(qū)空氣的進(jìn)口應(yīng)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(yīng)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(jìn)行了模擬研究，首先通過溫度場的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果對比，確定了最佳的二階計(jì)算精度，同時(shí)驗(yàn)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(jì)方法，從而為用于電極固化的連續(xù)式工業(yè)爐的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。