基于LES方法的鋁合金固溶爐湍流特征研究*

張戈1蕭琦2賀紅娟3李彬3

(1 中航工程集成設(shè)備有限公司北京102206)

(2 北京礦大節(jié)能科技有限公司北京100083) (3 中國科學(xué)院工程熱物理研究所北京100190)

摘要國內(nèi)重大裝備領(lǐng)域(如大飛機(jī)研制、陶瓷燒制)的快速發(fā)展對鋁型材熱處理水平的要求不斷提高，筆者將通過經(jīng)驗公式和模擬仿真的手段，對鋁合金固溶熱處理爐進(jìn)行了改進(jìn)和延伸。考察了短循環(huán)結(jié)構(gòu)和長循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體流場的分布情況，分析了靜壓箱楔板角度、底部水平結(jié)構(gòu)、頂部中心處離布風(fēng)柵板高度、布風(fēng)柵板寬度以及柵板高度對內(nèi)部流場的影響。數(shù)值模擬結(jié)果對鋁合金固溶熱處理爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作條件等給出了建議。

關(guān)鍵詞鋁合金固溶熱處理爐湍流LES方法

前言

鋁合金固溶熱處理電爐是周期作業(yè)式電阻爐，具有爐溫均勻、升溫快、入水時間短、能源消耗低等優(yōu)點。在關(guān)鍵鍛件制造以及陶瓷燒制等方面得到廣泛使用。該電爐的空氣循環(huán)系統(tǒng)是保證產(chǎn)品達(dá)到工藝要求的加熱速度和溫度均勻性的關(guān)鍵。良好的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)和風(fēng)量設(shè)計是提高控溫精度、穩(wěn)定爐溫、縮小溫差波動的關(guān)鍵。目前，很多電爐內(nèi)使用中圓圖記錄儀記錄溫度及超溫聲光報警，雙重控制，確保工件不超溫。隨著高速、高機(jī)動性能要求的不斷提高，應(yīng)用大型一體化整體結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接組合結(jié)構(gòu)，已成為當(dāng)今國內(nèi)外設(shè)備結(jié)構(gòu)研制的一大趨勢。其整體結(jié)構(gòu)件具有質(zhì)量輕，在剛度、抗疲勞強(qiáng)度以及各種失穩(wěn)臨界值等方面均優(yōu)于鉚接結(jié)構(gòu)的顯著特點，在鍛件制造和陶瓷燒制過程中越來越多地采用整體結(jié)構(gòu)件，如大梁、隔框、壁板等普遍采用了整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著對整體框架式結(jié)構(gòu)需求的日益增大，對鋁型材的熱處理設(shè)備有效處理尺寸要求也隨之增加，大型鋁合金熱處理爐的研發(fā)已成為當(dāng)務(wù)之急[1~2]。

結(jié)合國內(nèi)裝置建造的發(fā)展趨勢以及國外競爭對手的最新技術(shù)，筆者通過經(jīng)驗公式和模擬仿真，考察大型鋁合金固溶熱處理聯(lián)合電爐內(nèi)流場的分布情況，旨在保證性能的前提下，增加有效工作區(qū)，為企業(yè)日后大飛機(jī)配套設(shè)備市場占有一席之地作好技術(shù)儲備工作。

1數(shù)值模型和數(shù)值方法

1.1　LES方法

鑒于目前計算機(jī)的發(fā)展水平，在計算流體力學(xué)涉及到紊流的數(shù)值模擬時，需要對計算網(wǎng)格的尺度進(jìn)行嚴(yán)格的限制，因此目前主要針對小于計算網(wǎng)格尺度的紊流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬需要開展更深入的研究。大渦模擬計算湍流源于氣象學(xué)界，最早進(jìn)行三維湍流計算的氣象學(xué)家Smagorinsky使用了Smagorinsky亞格子尺度模型[3]。氣象學(xué)家Deardorff首次用LES方法對具有工程意義的槽道流動進(jìn)行了模擬，證明了湍流三維計算的可行性，他只用了6 720個網(wǎng)格點就成功地預(yù)測出了槽道湍流的若干性質(zhì)，特別重要的是他證明了LES方法用于湍流基礎(chǔ)研究的可行性[4]。大渦模擬的思路可以理解為：對大尺度紊流運動進(jìn)行直接求解Navier-Stokes方程；而小尺度紊流運動對大尺度紊流運動產(chǎn)生的影響，可通過次網(wǎng)格尺度模型建模。

對于粘性流體在直角坐標(biāo)系下，其運動規(guī)律受到N-S方程控制，把不可壓縮流體的N-S方程進(jìn)行過濾，可以得到[5]：

(1)

(2)

對速度矢量進(jìn)行變換，得到：

(3)

(4)

從而得到：

(5)

式中:ui、uj、p、xi、xj和t分別為速度i方向的分量、速度j方向的分量、流體壓力、i方向的位移、j方向的位移和時間。

1.2　計算區(qū)域和邊界條件

基于GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件，將長循環(huán)工作爐進(jìn)行了三維建模和網(wǎng)格劃分。

圖1和圖2分別為長循環(huán)工作爐的三維實體圖和網(wǎng)格劃分圖(靜壓箱底部水平結(jié)構(gòu)的長度為1 000mm; 靜壓箱頂部中心處離布風(fēng)柵板的高度為300mm; 布風(fēng)柵板的寬度為90mm; 柵板的高度為21mm; 柵板個數(shù)為27個)。

圖1　長循環(huán)工作爐的三維實體圖

圖2　長循環(huán)工作爐的網(wǎng)格劃分

長循環(huán)工作爐體主要分為3大部分：靜壓箱、工作區(qū)和循環(huán)風(fēng)出口。在靜壓箱底部布置有布風(fēng)柵板、靜壓箱頂部設(shè)計有斜板結(jié)構(gòu)，在循環(huán)出口處開有三角形楔板，這些都起到均化工作區(qū)內(nèi)風(fēng)量的作用，從而在工作區(qū)獲得均勻分布的流場結(jié)構(gòu)。圖3和圖4為柵板和進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分。

圖3　柵板的網(wǎng)格劃分

空氣通過靜壓箱兩端進(jìn)口吹入爐體內(nèi)，隨后在靜壓箱的斜形頂部結(jié)構(gòu)及操作條件的控制下，經(jīng)由靜壓箱底部的布風(fēng)柵板進(jìn)入流動過渡區(qū)、工作區(qū)，后流入布置在爐體側(cè)面壁的循環(huán)風(fēng)道中，最后到達(dá)裝有三角形楔板的4個出口?？紤]到長循環(huán)內(nèi)的流動特征以及設(shè)計操作條件，選用三維定長的流動模型進(jìn)行考察。

圖4　進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

長循環(huán)工作爐分別對靜壓箱、工作區(qū)和循環(huán)風(fēng)道等部分進(jìn)行三維建模，流體為常溫空氣，并設(shè)定為可壓縮的理想氣體。

數(shù)值模擬中設(shè)定靜壓箱的2個進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界，循環(huán)風(fēng)道的4個三角形楔板出口為壓力出口邊界條件，其他壁面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，并滿足J-DING條件。表1為長循環(huán)模擬邊界條件的設(shè)置。

表1　長循環(huán)工作爐的模擬條件

2結(jié)果分析

為了分析長循環(huán)工作爐內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)對流動的影響，我們選擇D，M，L和H這4個參數(shù)作為結(jié)構(gòu)變化的量度，如圖5所示，計算工況見表2。

表2　計算工況一覽表(mm)

圖5　長循環(huán)工作爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維實體圖

(a)工況2

(b)工況4

(c)工況5

圖6為基于湍流模型和速度進(jìn)口邊界、壓力出口邊界的工況2、4和5的CFD計算殘差圖，可以看到監(jiān)測的速度和k-ε的變換殘差在10-5以下，3種計算工況達(dá)到了較高的收斂水平，從而保證了計算域內(nèi)流動的可靠性和結(jié)果的真實性。

(a)工況5

(b)工況4

(c)工況2

圖7為長循環(huán)工作爐在工況5、4和2內(nèi)部的速度矢量圖。當(dāng)D=0時，從風(fēng)機(jī)吹入的氣體沒有經(jīng)過水平過度頂結(jié)構(gòu)的緩和作用，直接在大角度斜板的作用下流體的動量發(fā)生了急促變化，氣體速度向下彎折，進(jìn)入柵板布風(fēng)結(jié)構(gòu)后流入下部的爐體內(nèi)，因此在爐體的兩側(cè)產(chǎn)生了較大范圍的流動波動，流動的穩(wěn)定性較差。如果不設(shè)計靜壓箱頂部的斜板結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示，流體在靜壓箱內(nèi)隨著主流方向運動，兩端的流體在靜壓箱中部相遇后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的動量交換，很大一部分動能被流體間的相互作用耗盡，一部分流體在剩余能量頭的驅(qū)動下向柵板運動，進(jìn)入主工作區(qū)。而當(dāng)D=1 000 mm時，流體經(jīng)過了水平段的平緩后，流動狀態(tài)得到了一次休整，隨后在斜板作用下進(jìn)入工作區(qū)，形成了較好的場狀態(tài)。

(a)工況5

(b)工況4

(c)工況2

圖8為長循環(huán)工作爐內(nèi)流體軌跡圖。由圖8可以看出，當(dāng)不設(shè)計水平過度結(jié)構(gòu)時，流體進(jìn)入靜壓箱后，即有部分流體折返進(jìn)入柵板結(jié)構(gòu)，流動極其不穩(wěn)定，不利于形成期望的流場環(huán)境。而當(dāng)不設(shè)計斜板結(jié)構(gòu)時，流體的動量頭很大部分被流體間的相互作用損失掉，進(jìn)入工作區(qū)的流體很有限，也不利于良性流場環(huán)境的形成。因此，建議設(shè)計具有水平過度段的斜頂結(jié)構(gòu)的靜壓箱。

圖9為常溫可壓縮空氣在長循環(huán)工作爐內(nèi)的速度的切片云圖。

圖9　長循環(huán)工作爐內(nèi)速度的切片云圖

由圖9可以看出：

1)在靜壓箱內(nèi)， 流體在進(jìn)口主流驅(qū)動下向靜壓箱內(nèi)流動，流動穩(wěn)定，當(dāng)遇到靜壓箱頂板的楔形結(jié)構(gòu)后，流動變向，并集中向靜壓箱中部匯集。

2)在布風(fēng)柵板的作用下，流體的速度突然增大，其靜壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)閯訅侯^，以完成流體的均勻分配。

3)在工作區(qū)上部的過渡區(qū)中，流體的運動趨緩并完成流動形態(tài)的調(diào)整，進(jìn)入工作區(qū)后，流體形成了相對均勻的流動狀態(tài)。靠近壁面的流體遇到壁面障礙物后，形成折返，因此在壁面附近產(chǎn)生了渦流。

4)在爐體底部內(nèi)外腔空隙的結(jié)構(gòu)影響下，流體在狹小空間內(nèi)速度增大，發(fā)生變軌運動，為進(jìn)入循環(huán)風(fēng)道做準(zhǔn)備。

3結(jié)論

筆者結(jié)合市場發(fā)展的趨勢，提出對現(xiàn)有鋁合金固溶熱處理爐進(jìn)行改進(jìn)及延伸的方法，并基于數(shù)值模擬和經(jīng)驗關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1)在短循環(huán)結(jié)構(gòu)中，通過模擬湍流區(qū)的分布可知，各個風(fēng)機(jī)之間由于氣流循環(huán)相互干涉集中在各分區(qū)之

間引起湍流，同時能量損失集中在湍流區(qū)域。可通過在相應(yīng)區(qū)域增加導(dǎo)流護(hù)板引導(dǎo)氣流走向，改善循環(huán)情況，減少或避免湍流的形成。短循環(huán)結(jié)構(gòu)依靠風(fēng)機(jī)的數(shù)量來滿足有效區(qū)長度的變化，當(dāng)有效區(qū)長度增加后，風(fēng)機(jī)數(shù)量及分區(qū)數(shù)量勢必增加，各分區(qū)之間干擾會進(jìn)一步明顯。

2)在長循環(huán)結(jié)構(gòu)中，爐門結(jié)構(gòu)由現(xiàn)有雙層爐門結(jié)構(gòu)改為桁架式單層結(jié)構(gòu)，同時提升方式由斜面起升式改為軌道整體頂升式。數(shù)值模擬也對長循環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作條件給出了建議。

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Research for the Turbulence Character in the Aluminum-alloy Solution Treatment Furnace Based on the LES Method

Zhang Ge1, Xiao Qi2, He Hongjuan3, Li Bin3(1 AVIC APC Integration Equipment Co.,Ltd.,Beijing,102206)(2 Beijing CUMT Energe Conservation Technology Co.,Ltd.,Beijng,100083)(3 Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190)

Abstract:Requirement for the heat-treated capability of aluminum section is increasing due to the rapid development of the domestic aviation. This paper has studied the hydrodynamic flow character in heat treatment aluminum furnaces by the empirical formula and simulation methods to improve and extend the capability and application of the aluminum furnaces. The gas flow distribution of short and long full-loop structures is analyzed by considering the chamber wedge angle, the bottom level of the structure, the height from the top center to the air distribution, width and height of the gas distribution. The influence of different geometry on the flow character is calculated. At last, the structural optimization as well as recommended operating conditions is proposed.

Key words:Three dimensional simulation; Turbulence flow; LES method

中圖分類號:TQ174.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號：1002-2872(2015)03-0022-05

通訊作者簡介：賀紅娟(1982-)，碩士，助理研究員；研究方向為燃燒數(shù)值模擬。

*作者簡介：張戈(1983-)，碩士，工程師；主要從事工業(yè)爐設(shè)計及研發(fā)。