摘 要：熱處理是決定金屬最終組織性能的關(guān)鍵，其中冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)控制是熱處理的核心。大型環(huán)形鍛件尺寸規(guī)格大、風(fēng)冷熱處理?xiàng)l件下溫度場(chǎng)一致性差、控制難。針對(duì)上述難題，本文通過(guò)環(huán)形縮比件風(fēng)冷正火實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，反算對(duì)流換熱系數(shù)，開(kāi)展環(huán)件風(fēng)冷散熱的模擬仿真，研究環(huán)形件風(fēng)冷溫度場(chǎng)演變情況，并給出風(fēng)冷工藝的優(yōu)化策略。結(jié)果表明，環(huán)形件風(fēng)冷正火過(guò)程流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合變化，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流臺(tái)和風(fēng)速能夠改善流場(chǎng)分布，并顯著提高環(huán)件散熱效率。本方法能夠?yàn)榇笮铜h(huán)形鍛件風(fēng)冷正火過(guò)程的溫度場(chǎng)分析以及熱處理工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：環(huán)形鍛件；風(fēng)冷正火；對(duì)流換熱；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TG156.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Simulation optimization of Air-cooling temperature field for Ring-shaped forging parts

ZHOU Yihui¹， LI Dayong¹， ZHOU Guowei²， ZHANG Zhiwu¹

（1. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;2. School of Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract： Heat treatment is the key to determine the final microstructure and properties of the metal，and the temperature field control of the cooling process is the core of heat treatment. Large ring-shaped forging parts have large size，poor temperature field consistency and difficult controllability under air-cooled heat treatment conditions. In view of the above problems，this paper inversely calculates the convective heat transfer coefficient through the air-cooled normalizing experiment and measurement of the scaled ring-shaped parts. Through the simulation of the air-cooled heat dissipation of the ring-shaped parts，the evolution of the air-cooled temperature field of the ring-shaped parts is studied，and the optimization suggestions of the air-cooled process are given. The results show that the flow field and temperature field are coupled during the air-cooled normalizing process. The reasonable design of the deflector and the wind speed can improve the flow field distribution and significantly improve the heat dissipation efficiency of ring-shaped parts. The method in this paper can provide technical support for temperature field analysis and heat treatment process optimization of large ring forging parts during air cooling normalizing process.

Key words： ring-shaped forging parts; air-cooled normalizing; heat convection; temperature field

0 引 言

隨著我國(guó)航空航天、風(fēng)電能源等領(lǐng)域高端裝備的迅速發(fā)展，對(duì)大型環(huán)形鍛件需求日益增多，如風(fēng)電塔筒法蘭、航空機(jī)匣、核反應(yīng)堆加強(qiáng)圈、航天燃料箱連接環(huán)等^［1］。上述環(huán)形鍛件不僅尺寸規(guī)格大，而且組織性能要求高。如風(fēng)電塔筒法蘭需滿足海上復(fù)雜惡劣力學(xué)載荷、低溫性能及耐腐蝕要求，其中熱處理獲得的組織和性能直接決定了其服役性能，因此環(huán)形件熱處理工藝的分析成為大型環(huán)形鍛件加工研究的重點(diǎn)。

大型環(huán)形鍛件尺寸規(guī)格大，在熱處理冷卻過(guò)程中溫度如果控制不當(dāng)，不僅導(dǎo)致組織性能分布不均勻，而且容易造成縱裂、環(huán)件報(bào)廢。目前，風(fēng)電塔筒法蘭采用低合金鋼環(huán)軋制備，相應(yīng)的熱處理工藝多為正火風(fēng)冷^［2］。為提高生產(chǎn)效率，環(huán)形鍛件在熱處理過(guò)程中通常采用堆疊方式，即工件在熱處理爐中加熱至A_C3或A_cm溫度以上30～50 K后保溫一段時(shí)間，再轉(zhuǎn)移至空氣中進(jìn)行堆疊，隨后進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷或噴霧冷卻以獲得預(yù)期的組織和性能^［3］。風(fēng)冷相比水冷，冷卻速度較慢，有利于降低冷卻后的殘余應(yīng)力，同時(shí)，相對(duì)空冷較高的冷卻速度，其能夠有效改善熱處理性能^［4］。風(fēng)冷工藝具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為大型環(huán)形鍛件熱處理中主要的冷卻方式。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，多個(gè)大型環(huán)鍛件堆疊方式會(huì)對(duì)風(fēng)冷流場(chǎng)及溫度場(chǎng)產(chǎn)生復(fù)雜的影響，如何合理地設(shè)計(jì)流場(chǎng)、控制溫度場(chǎng)是其中的關(guān)鍵。大型環(huán)形鍛件熱處理實(shí)驗(yàn)比較困難，同時(shí)表層較深的氧化皮導(dǎo)致溫度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性低，單純依靠實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)冷卻過(guò)程的優(yōu)化^［5］?；诹黧w仿真的冷卻過(guò)程模擬，齊建華^［6］研究了鋼管在空冷淬火和回火過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化，獲得了鋼管空冷熱處理?xiàng)l件下的散熱特性。針對(duì)環(huán)鍛件熱處理中的溫度場(chǎng)分析，劉鑫^［7］將CCD與紅外熱像儀結(jié)合，建立了環(huán)形鍛件表面溫度測(cè)量系統(tǒng)；朱帥^［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鈦合金環(huán)軋后冷卻降溫階段的組織演變規(guī)律。上述研究為環(huán)形鍛件熱處理分析提供了重要的支撐，但是目前對(duì)于環(huán)形鍛件風(fēng)冷及其溫度場(chǎng)調(diào)控研究仍比較缺乏。

針對(duì)大型環(huán)形鍛件熱處理風(fēng)冷中流場(chǎng)和溫度場(chǎng)調(diào)控問(wèn)題，本文通過(guò)縮比樣實(shí)驗(yàn)，確定關(guān)鍵對(duì)流換熱系數(shù)，利用Fluent軟件建立對(duì)流換熱仿真模型，對(duì)比研究了環(huán)件在不同風(fēng)冷設(shè)計(jì)下的散熱特性和溫度場(chǎng)分布。進(jìn)一步，通過(guò)改變散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，分析評(píng)估了流體風(fēng)速與添加導(dǎo)流臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)散熱效果的影響。本研究方法可以為大型環(huán)形鍛件熱處理正火風(fēng)冷工藝開(kāi)發(fā)及優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 小型環(huán)件的風(fēng)冷散熱實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

首先開(kāi)展了小型環(huán)件的風(fēng)冷散熱實(shí)驗(yàn)，以獲得小型環(huán)件在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)變化情況，根據(jù)溫度變化數(shù)據(jù)反算出對(duì)流換熱系數(shù)，為后續(xù)仿真模型的邊界條件設(shè)置提供參考。本次實(shí)驗(yàn)采用的環(huán)件材料型號(hào)為S355NL合金鋼，環(huán)件尺寸為?280 mm×200 mm×40 mm，環(huán)件之間的間距為40 mm，使用熱處理爐進(jìn)行隨爐升溫，升溫速率為10 K·min^－1，加熱至900 ℃后，保溫1 h使環(huán)件溫度分布均勻，環(huán)件保溫結(jié)束后通過(guò)小車迅速推出至平臺(tái)，平臺(tái)上圍繞環(huán)件放置4臺(tái)小型風(fēng)扇對(duì)環(huán)件進(jìn)行風(fēng)冷正火，風(fēng)扇距離環(huán)件外徑200 mm，風(fēng)速穩(wěn)定在10 m/s，正火過(guò)程采用紅外熱成像儀進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，每分鐘進(jìn)行一次溫度監(jiān)測(cè)。溫度歷史監(jiān)測(cè)點(diǎn)取自各個(gè)環(huán)件內(nèi)壁、外壁以及端面，實(shí)驗(yàn)布置與溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。正火風(fēng)冷過(guò)程中，在每一時(shí)刻對(duì)環(huán)件內(nèi)壁、外壁與端面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，每分鐘記錄一次溫度數(shù)據(jù)，每個(gè)面至少記錄三個(gè)以上不同位置的數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2中展示了不同位置環(huán)件的溫度變化歷史，可以看出，環(huán)件在出爐之后的10 min內(nèi)溫度從初始的900 ℃迅速降低至580 ℃左右，同時(shí)，環(huán)件的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置（外壁、內(nèi)壁和端面）的溫度差異較小。在經(jīng)過(guò)30 min左右的風(fēng)冷正火后，整體溫度下降至250 ℃左右。其中，由于頂部環(huán)件的端面空氣流動(dòng)情況較好，相比底部與中部環(huán)件，不同時(shí)刻下的環(huán)件溫度都相對(duì)較低。該風(fēng)冷正火過(guò)程為強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式，根據(jù)流體掠過(guò)物體表面的經(jīng)驗(yàn)公式，可計(jì)算出環(huán)件不同溫度下的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)集中參數(shù)法的能量平衡式^［9］：

其中，h為物體的對(duì)流換熱系數(shù)；T為物體的溫度；T_f為流體溫度；ρ為物體的密度；V為物體的體積；C_p為物體的比熱容；t為時(shí)間。對(duì)該式進(jìn)行積分可得到對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式為：

根據(jù)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取了中部環(huán)件進(jìn)行了計(jì)算，得出本實(shí)驗(yàn)中環(huán)件的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)h與溫度的關(guān)系，如圖2所示?？梢钥闯觯S著環(huán)件溫度變化，表面的對(duì)流換熱系數(shù)有一定波動(dòng)，但沒(méi)有發(fā)生太大變化，對(duì)流換熱系數(shù)在41 W·m^-2·K^－1左右變化，在風(fēng)冷仿真對(duì)流換熱系數(shù)的合理范圍內(nèi)（20～200 W·m^-2·K^－1），在后續(xù)的仿真計(jì)算過(guò)程中，對(duì)流換熱系數(shù)統(tǒng)一采用該數(shù)值。

2 環(huán)形件風(fēng)冷模型

2.1 環(huán)形件模型建立

利用ANSYS ICEM建模軟件，按照實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)冷系統(tǒng)尺寸，以1∶1的比例建立三維空間物理模型，模型使用尺寸為?280 mm×200 mm×40 mm的圓環(huán)堆疊而成，環(huán)件之間的間距為40 mm。環(huán)件與流體域的物性參數(shù)如表1所示。采用4個(gè)直徑為200 mm的風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，風(fēng)機(jī)與環(huán)件中心的距離設(shè)計(jì)為400 mm。整體模型由于存在對(duì)稱性，在實(shí)際建模計(jì)算過(guò)程中使用1/4對(duì)稱模型，以減少計(jì)算時(shí)間，提高效率，如圖3（a）所示。

首先通過(guò)建立單個(gè)環(huán)件散熱的數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展環(huán)件的散熱特性研究。根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律^［10］，便可得到單個(gè)環(huán)件在直角坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱微分方程：

式中，ρ為環(huán)件的密度，C為環(huán)件的比熱容，Δ為拉普拉斯算子，λ為環(huán)件的導(dǎo)熱系數(shù)，Q·為環(huán)件在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

風(fēng)冷散熱過(guò)程是通過(guò)環(huán)件與空氣之間的相互作用來(lái)傳遞熱量的，涉及到流固之間的耦合換熱。因此，為了研究環(huán)件在散熱系統(tǒng)作用下的散熱特性和溫度場(chǎng)分布，需要引入流體傳熱控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程^［11-12］。通過(guò)這三個(gè)封閉的傳熱控制方程，利用Fluent仿真軟給定邊界條件對(duì)微分方程進(jìn)行離散和迭代求解，從而得到溫度場(chǎng)的分布特性。

2.2 模型假設(shè)條件

為簡(jiǎn)化問(wèn)題、便于模擬分析，對(duì)本文中使用的計(jì)算模型進(jìn)行如下假設(shè)。

（1） 流動(dòng)的空氣可視為不可壓縮牛頓流體，且符合Boussinesq假設(shè)，即空氣的密度僅隨溫度的變化而變化，而不受壓力影響。

（2） 環(huán)件之間的墊塊以及環(huán)境中的其他部件對(duì)環(huán)件散熱的影響忽略不計(jì)，同時(shí)不考慮輻射換熱。

（3） 將風(fēng)機(jī)對(duì)流體的作用簡(jiǎn)化為恒定流速與固定方向的壓力流體，進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.3 網(wǎng)格劃分

將圖3（a）所示模型劃分為兩個(gè)區(qū)域，分別是空氣流體域與固體域，流體域大小為4 000 mm×4 000 mm×4 000 mm，采用ANSYS Fluent Meshing軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，環(huán)件采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為4 mm，流體域的網(wǎng)格劃分同樣采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為8 mm，將環(huán)件與流體域的交界面設(shè)置為流固耦合界面，采用共享節(jié)點(diǎn)方法將流體域與環(huán)件交界面的網(wǎng)格進(jìn)行耦合，同時(shí)對(duì)流固耦合換熱界面附近以及流體入口附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，此次網(wǎng)格總數(shù)量為107 097個(gè)，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確定滿足仿真精度的要求，具體1/4仿真模型的網(wǎng)格劃分情況如圖3（b）所示。

2.4 邊界條件設(shè)置

邊界條件根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)置：將風(fēng)機(jī)入口處設(shè)置為計(jì)算域的速度入口邊界（velocity-inlet），采用實(shí)驗(yàn)所用風(fēng)機(jī)風(fēng)速（10 m/s）與進(jìn)口風(fēng)溫（20 ℃）作為初始風(fēng)速和風(fēng)溫；環(huán)件初始溫度設(shè)置為從熱處理爐轉(zhuǎn)移出的初測(cè)溫度900 ℃；將流體域的底面設(shè)置為絕熱邊界，環(huán)件和流體都不與其發(fā)生換熱，設(shè)置環(huán)件和空氣對(duì)流換熱的流固耦合面，考慮到流體流動(dòng)對(duì)流固耦合界面對(duì)流換熱的影響，設(shè)置前文中反算出的對(duì)流換熱系數(shù)；將與環(huán)件截面所在平面設(shè)置為兩個(gè)對(duì)稱面，同時(shí)將流體域的剩余其他面設(shè)置為計(jì)算域的出口邊界，并設(shè)為壓力出口（pressure-outlet）。在Fluent軟件中，求解器Solver采用3D、隱式、瞬態(tài)壓力求解方法，開(kāi)啟Energy能量方程、采用Realizablek-Epsilon湍流模型，計(jì)算界面換熱時(shí)采用壁面函數(shù)法。

3 風(fēng)冷散熱模擬仿真結(jié)果分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

仿真使用計(jì)算機(jī)配置為AMD EPYC 7B13處理器，2.25 GHz，64 G內(nèi)存，采用64核128線程并行計(jì)算，完成計(jì)算所需時(shí)間為126 118 s。通過(guò)仿真模擬獲得在該條件下的環(huán)件溫度場(chǎng)變化曲線，從圖4（a）的仿真結(jié)果可以看出，1/4環(huán)件的溫度分布具有一定的對(duì)稱性，在風(fēng)冷1 min后，單個(gè)環(huán)件的溫度分布存在一些差異，但在20 K以內(nèi)。隨著風(fēng)冷的進(jìn)行，不同位置環(huán)件的整體溫差逐漸加大。風(fēng)冷15 min后，不同環(huán)件的溫差增大至100 K以上，而單個(gè)環(huán)件不同位置處的溫度差異相比不同環(huán)件的溫差顯著下降，顯示了風(fēng)冷對(duì)同一環(huán)件溫度場(chǎng)均勻分布的效果。由于每一時(shí)刻單個(gè)環(huán)件整體的溫度分布較為均勻，但不同位置處的溫度差異較大，因此統(tǒng)計(jì)了不同數(shù)據(jù)外壁面的平均溫度變化數(shù)據(jù)，如圖4（b）所示，結(jié)果表明，溫度的下降趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本保持一致，證明了仿真模擬能夠較好地模擬環(huán)件在風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)變化，驗(yàn)證了建模方法與參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性。

3.2 風(fēng)冷參數(shù)對(duì)散熱影響分析

在上述仿真模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)值仿真，分析不同風(fēng)冷參數(shù)對(duì)堆疊環(huán)形鍛件流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響。

3.2.1 風(fēng)扇風(fēng)速對(duì)散熱特性的影響

通過(guò)增大風(fēng)扇流速提高散熱效率是實(shí)現(xiàn)環(huán)形鍛件高效冷卻的最直接的方法，根據(jù)流體的換熱系數(shù)公式可以看出，物體表面的對(duì)流換熱系數(shù)與流體流速正相關(guān)。圖5展示了不同風(fēng)機(jī)流速下的溫度場(chǎng)分布和溫降曲線。

仿真結(jié)果表明，在不同時(shí)間下不同位置處的環(huán)件溫度差異明顯。隨著時(shí)間推移，溫度的差異越來(lái)越大，從仿真結(jié)果可以看出風(fēng)扇流速的明顯效果，當(dāng)風(fēng)機(jī)流速?gòu)? m/s提升至10 m/s時(shí)，環(huán)件的降溫效率迅速提高，經(jīng)過(guò)30 min的散熱時(shí)間，環(huán)件在5 m/s的風(fēng)速下溫度最多下降至300 ℃左右，然而在10 m/s的風(fēng)速下溫度可下降至200 ℃。同時(shí)，前期的溫度下降速率也顯著提高，頂部的環(huán)件散熱速率提升最為明顯。當(dāng)風(fēng)速提升至20 m/s時(shí)，環(huán)件的溫降效果有所提高，溫度可下降至150 ℃，但帶來(lái)的散熱效果改善與5 m/s提升至10 m/s時(shí)的效果相當(dāng)?？梢钥闯?，提高風(fēng)速雖然能夠有效改善散熱效率，但存在一定的邊際效益，并且，過(guò)高風(fēng)速帶來(lái)的大溫度梯度可能影響環(huán)形件整個(gè)截面的溫度均勻性，導(dǎo)致組織性能不均勻。實(shí)際生產(chǎn)中，大尺寸環(huán)形件的尺寸效應(yīng)更會(huì)放大這一負(fù)面效果。從經(jīng)濟(jì)效益、組織性能和散熱效率的綜合效益考慮下，選擇10 m/s的風(fēng)速最佳。

圖6展示了不同風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)速度矢量分布的影響，可以看出，改變風(fēng)速對(duì)于流場(chǎng)流速

的分布沒(méi)有顯著影響，環(huán)件附近的流速矢量分布呈現(xiàn)從頂部至底部逐漸減小的趨勢(shì)，這與環(huán)件溫度場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，而在不同風(fēng)速下，環(huán)件附近都存在著一些靜風(fēng)區(qū)，這會(huì)影響環(huán)件與流體的對(duì)流換熱，如果能夠消除靜風(fēng)區(qū)，改進(jìn)目前的散熱系統(tǒng)，則能夠進(jìn)一步提高散熱效果。

3.2.2 輔助散熱裝置對(duì)風(fēng)冷散熱的影響

為進(jìn)一步改善環(huán)件風(fēng)冷散熱效果，根據(jù)消除流場(chǎng)靜風(fēng)區(qū)的思路對(duì)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)添加輔助散熱裝置對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整來(lái)改進(jìn)散熱效果，結(jié)合仿真結(jié)果分析輔助散熱裝置對(duì)環(huán)件溫度場(chǎng)變化的影響。

設(shè)計(jì)了兩種不同形狀的導(dǎo)流臺(tái)作為輔助散熱裝置，導(dǎo)流臺(tái)的位置都位于環(huán)件中心處，柱形導(dǎo)流臺(tái)為截面直徑100 mm，高度240 mm的圓柱。同時(shí)，根據(jù)環(huán)件附近流場(chǎng)速度梯度自上而下逐漸下降的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)錐形導(dǎo)流臺(tái)，尺寸為頂部圓直徑100 mm，底部圓直徑160 mm，高240 mm，模型設(shè)置如圖7所示。在不改變其他仿真參數(shù)的情況下，統(tǒng)一設(shè)置入口風(fēng)速為10 m/s，研究導(dǎo)流臺(tái)對(duì)環(huán)件散熱效果的影響。

圖7中的流場(chǎng)速度矢量分布圖顯示，采用柱形導(dǎo)流臺(tái)時(shí)，環(huán)件附近的靜風(fēng)區(qū)域幾乎沒(méi)有改變，說(shuō)明了僅僅增加導(dǎo)流臺(tái)并不能顯著改善流場(chǎng)分布。而在采用錐形導(dǎo)流臺(tái)之后，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)件附近的靜風(fēng)區(qū)幾乎消失，環(huán)件附近的流場(chǎng)速度矢量分布更為均勻，說(shuō)明通過(guò)錐形導(dǎo)流臺(tái)的流體阻隔和回流作用，能夠顯著改變環(huán)件附近的流場(chǎng)，這有利于實(shí)際生產(chǎn)中環(huán)件溫度場(chǎng)和性能的均勻分布。

圖8展示了采用兩種導(dǎo)流臺(tái)的仿真模擬結(jié)果，可以看出，采用錐形導(dǎo)流臺(tái)時(shí)，環(huán)件的散熱速率顯著提高，最終的最低溫度可下降至100 ℃左右，而采用柱形導(dǎo)流臺(tái)的最低溫度與無(wú)導(dǎo)流臺(tái)近似，在200 ℃左右。圖9統(tǒng)計(jì)了三種散熱系統(tǒng)下的最終平均溫度與降溫速率，可以看出，與無(wú)導(dǎo)流臺(tái)相比，采用柱形導(dǎo)流臺(tái)對(duì)于底部環(huán)件的散熱甚至有負(fù)面效應(yīng)，降溫速率有所降低，這可能與柱形導(dǎo)流臺(tái)難以改變自上而下的流場(chǎng)速度矢量分布相關(guān)。而采用錐形導(dǎo)流臺(tái)可以顯著提升環(huán)件的散熱效果，底部環(huán)件的降溫速率從21 K·min^－1提升至25 K·min^－1，降溫速率提升約20%。

4 結(jié) 論

本文采用實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法，探究了不同風(fēng)冷參數(shù)下環(huán)形件冷卻過(guò)程中的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小型環(huán)件的風(fēng)冷散熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)合紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)測(cè)量堆疊的小型環(huán)件在900 ℃風(fēng)冷條件下的冷卻溫度場(chǎng)變化情況與相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)堆疊的環(huán)件自上而下散熱效率逐漸下降，對(duì)流換熱系數(shù)穩(wěn)定在41 W·m^-2·K^-1左右。通過(guò)Fluent仿真探究了小型環(huán)件在不同條件下的散熱性能，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的錐形導(dǎo)流臺(tái)能夠有效改善環(huán)件風(fēng)冷條件下的散熱性能，提高風(fēng)速對(duì)加快散熱存在邊際效益，結(jié)合導(dǎo)流臺(tái)與合理風(fēng)速有利于降低實(shí)際環(huán)件風(fēng)冷過(guò)程的生產(chǎn)成本。

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