姜 琦 余南陽

小型高溫加熱裝置內(nèi)部傳熱特性的模擬計算

姜 琦 余南陽

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

以用于小型金屬試樣材料高溫動態(tài)力學(xué)性能試驗中的加熱裝置為研究對象，對與實驗室現(xiàn)有小型壓入測試試驗機相匹配的加熱裝置進行傳熱特性研究。運用數(shù)值模擬方法得到并分析動態(tài)傳熱過程，以試樣內(nèi)能增加量一致時所需時間為衡量指標(biāo)，討論了總輸入功率一定時，腔體幾何參數(shù)對試樣升溫效率的影響。研究表明：隨著傳熱過程進行，腔體對流熱損失比重逐漸減小，輻射熱損失比重逐漸上升并最終占據(jù)主導(dǎo)地位；在設(shè)計與優(yōu)化加熱裝置腔體結(jié)構(gòu)時，適當(dāng)增大開口比有利于加快試樣升溫速度；開口比一定時適當(dāng)增加高寬比或改變腔體形狀也對改善試樣升溫效率有利。

高溫加熱裝置；非接觸式加熱；數(shù)值模擬；工程應(yīng)用

0 引言

材料動態(tài)力學(xué)性能實驗在指導(dǎo)實際工程應(yīng)用中具有重要作用，當(dāng)前工程材料的工作環(huán)境越來越苛刻，高溫條件下材料的動態(tài)力學(xué)性能是人們非常關(guān)心的一個問題[1]。材料熱力學(xué)性能實驗中的加熱裝置要求具有較快的升溫速度、較短的處理周期和較高的溫度控制精度[2]。加熱方式和新型加熱材料的研究開發(fā)已經(jīng)成為材料科學(xué)和能源開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點[3]。因此，需要對應(yīng)用于此類試驗的加熱裝置進行傳熱特性研究，而數(shù)值計算的方法具有成本較低和能模擬較復(fù)雜過程的優(yōu)點，從而能減少成本昂貴的實驗工作量[4]。

本文針對實驗室現(xiàn)有小型金屬材料壓入試驗機的規(guī)格選取合適熱源并設(shè)計相應(yīng)的高溫加熱裝置，然后運用Fluent流體仿真軟件進行瞬態(tài)數(shù)值模擬，得到加熱裝置動態(tài)熱傳遞情況并分析了不同腔體幾何參數(shù)對試樣升溫情況的影響。

1 高溫加熱裝置簡介

本文所研究的加熱裝置是為材料高溫動態(tài)力學(xué)性能實驗服務(wù)，采用非接觸式加熱方式[5]，在試樣上升到指定溫度后需將壓頭壓入加熱腔內(nèi)給試樣施加一定壓力，加熱裝置截面示意圖見圖1。選用氮化硅陶瓷加熱器作為高溫發(fā)熱元件，它是以陶瓷為基體，以鎢絲為發(fā)熱源，鎢絲埋在陶瓷基體中，通過熱壓燒結(jié)的方法形成一體，再磨削加工，焊接引線，制成的發(fā)熱元件，具有熱慣性小、升溫速度快等優(yōu)點，在空氣中加熱到1000℃以上時，急劇冷卻再急劇加熱也不會碎裂，可以滿足試驗的溫度需求。加熱腔頂部設(shè)計為開口形式，已有大量關(guān)于開口空腔熱特性的研究表明[6,7]，開口大小和內(nèi)壁溫度對空腔輻射熱損失起著決定性作用，因此腔體開口需在滿足壓頭規(guī)格下盡量減小。考慮到熱源溫度較高，采用保溫效果較好的硅酸鋁陶瓷保溫棉作為保溫層材料。在總輸入熱量一定時，腔體的幾何參數(shù)會對試樣單位時間內(nèi)得到的熱量即升溫速度產(chǎn)生影響，因此本文將從開口比、高寬比、腔體形狀等方面進行討論。

圖1 加熱裝置截面示意圖

2 數(shù)理模型及求解方法

2.1 物理模型

對圖1所示的加熱裝置進行模擬計算，模擬所用具體尺寸為：和分別表示腔體高度和寬度；腔體開口尺寸為30×30mm；氮化硅陶瓷加熱器的尺寸為30mm×12mm×2mm，單個發(fā)熱元件額定功率為300W；耐熱層厚度為10mm；保溫層厚度設(shè)為50mm；待測金屬試樣的材料為16Mn，尺寸為20mm×20mm×10mm。

2.2 數(shù)學(xué)模型與求解方法

本文采用Fluent軟件對模型進行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬。將氮化硅陶瓷加熱器設(shè)為體熱源，產(chǎn)熱率為3.57×107W/m3；加熱腔內(nèi)壁面和試樣表面為耦合邊界；保溫層外表面為對流傳熱邊界，其對流換熱系數(shù)利用流體相似理論確定，不考慮保溫層表面向周圍空間的輻射散熱；根據(jù)文獻[8,9]中的處理方式，計算區(qū)域與加熱裝置尺寸大小一致，腔體開口設(shè)為壓力入口邊界。

表1 各表面發(fā)射率

加熱裝置內(nèi)部傳熱過程是一個伴隨有流動與換熱的動態(tài)變化過程，由于發(fā)熱元件溫度較高（900℃以上），屬于高溫傳熱范疇，因此輻射傳熱不可忽略。加熱腔內(nèi)部輻射屬于多表面輻射換熱，所有參與輻射的表面均為漫灰表面。表面發(fā)射率設(shè)置見表1。計算采用Discrete Ordinates（DO）輻射模型，輻射傳熱基于灰體假設(shè)，同時開啟能量方程。空氣視為不可壓縮流體，由于腔內(nèi)物體與外界環(huán)境的溫度差異較大，加熱腔內(nèi)部的空氣物性參數(shù)會發(fā)生較大變化，Boussinesq假設(shè)將不再適用，因此在大溫差情況下，空氣擬采用變物性處理[10]?？諝饬鲃訉儆谂ｎD流體的湍流流動，采用RNG-湍流模型。控制方程描述如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

本文采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過試算對網(wǎng)格和時間步長進行無關(guān)性驗證后，選定網(wǎng)格尺寸為1×1×1，時間步長為0.5s。

2.3 計算模型驗證

將本文選用的數(shù)值計算模型對文獻[11]中的實驗工況進行計算，結(jié)果對比如表2所示，其中，下標(biāo)“”和“”分別代表腔體側(cè)面和底面溫度，“exp”為文獻中的實驗數(shù)據(jù)，“num”為計算數(shù)據(jù)。由表格可知，三種工況下，穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，最大偏差為10.6%，說明本文所用模型較為可靠。

表2 本文模擬表面溫度與文獻[11]對比

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 耦合傳熱瞬態(tài)過程分析

圖4和圖5為瞬態(tài)過程發(fā)熱元件、試樣、內(nèi)壁的溫度及表面熱流密度隨時間的變化曲線，其中，離開壁面的熱流為正值[12]。對試樣而言，其表面熱流密度的變化趨勢與其同熱源和壁面溫度之差的變化都是先增加后減小直至平穩(wěn)的過程。試樣升溫曲線斜率較大時對應(yīng)其表面吸收的熱量不斷增加，此時試樣表面輻射熱流占總熱流的60%以上且之后的占比不斷增加，說明腔內(nèi)輻射傳熱對試樣升溫情況影響較大，提升試樣升溫效率可從改善腔體輻射傳熱入手，而影響固體表面間輻射換熱的主要因素[13]包括固體表面的輻射物性、表面的幾何特征（大小與形狀）和相對位置、表面溫度。

圖6為加熱裝置三種傳熱熱損失及試樣得熱量占熱源輸入總熱量的比例隨時間變化曲線，在初始時間內(nèi)，腔內(nèi)溫度較低，通過開口的對流熱損失占主導(dǎo)地位，隨著傳熱過程進行，對流散熱占比隨之減小，輻射熱損失比重不斷增加，這是由于熱源溫度持續(xù)上升，加熱腔內(nèi)外溫差增大，導(dǎo)致輻射換熱增強。保溫層隔熱效果優(yōu)良，因此導(dǎo)熱損失隨時間變化幅度較小。650s后輻射熱損失強于對流熱損失，且三種傳熱量占比趨于穩(wěn)定，與各表面溫度變化趨勢一致。

圖4 溫度變化曲線

圖5 熱流密度變化曲線

圖6 腔體熱損失及試樣得熱量占比變化曲線

3.2 腔體開口比的影響

腔體的內(nèi)壁面可視為散熱面，會對腔體熱性能產(chǎn)生影響。本小節(jié)將探討腔體開口面積A一定，通過改變內(nèi)表面積A來改變腔體開口比A/A時對試樣升溫效率的影響。腔體編號及具體規(guī)格見表2，腔體1#～6#的開口比依次增加，其中，腔體1#～4#高寬比依次減小，腔體4#～6#腔體高寬比依次增加。計算結(jié)果如圖7所示。

當(dāng)試樣達到800℃時，在本節(jié)計算范圍內(nèi)，無論高寬比如何，試樣的升溫效率隨開口比增加而提高。使用2#～6#腔體時試樣升溫所需時間依次比1#腔體縮短了7.9%、15.3%、22.9%、35.9%和53%。進一步對比方腔2#和6#以及方腔3#和5#，前一組高寬比約為0.4，后一組高寬比約為0.3，在高寬比相同的情況下，增大開口比對于試樣升溫速度影響顯著。在發(fā)熱元件輸入功率一定時，腔體內(nèi)表面積減小，熱源在單位時間內(nèi)傳遞給腔內(nèi)物體單位面積上的熱量增加，試樣內(nèi)能增加速度也隨之加快。

表2 腔體規(guī)格

圖7 溫度變化曲線

3.3 腔體高寬比及形狀的影響

本小節(jié)將討論腔體開口比A/A不變的情況下，改變高寬比或腔體形狀對試樣升溫過程的影響。取A/A=0.04，具體尺寸見表3，腔體4#～11#的高寬比依次增加，9#的高寬比約為1，12#為棱臺型腔體，腔體側(cè)壁面與底面夾角為75°。試樣升溫曲線見圖8。

表3 腔體規(guī)格

圖8 溫度變化曲線

由計算可知，在腔體開口比A/A相同即腔體內(nèi)表面積一定時，改變方型腔體的高寬比對試樣升溫過程影響較小，當(dāng)試樣達到800℃時，7#～11#腔體中的升溫時間依次比4#腔體縮短了3.6%、8.3%、5%、2.1%和2.8%，8#腔體表現(xiàn)更優(yōu)，＞1以后改善效果不再顯著，且根據(jù)實際情況，方型腔體的高寬比最好控制為不大于1。繼續(xù)比較12#腔體的效果，試樣內(nèi)能增加量一致時，所需時間比4#腔體減少了16.5%。可見在腔體開口比一定時，通過減小腔體側(cè)面與底面夾角等方式改變腔體形狀可有效提高試樣升溫效率。

4 結(jié)論

通過對加熱裝置的傳熱過程進行模擬計算，可以得到以下結(jié)論：

（1）在試樣升溫過程中，輻射傳熱量可占其表面吸收總熱量的60%以上，因此提升試樣升溫效率可從改善腔體內(nèi)部表面間的輻射換熱入手。

（2）當(dāng)腔體開口面積不變時，通過增大腔體開口比及減小內(nèi)表面積可以有效提高試樣的升溫效率。

（3）當(dāng)腔體內(nèi)表面積一定時，腔體高寬比的變化對于試樣升溫速度的影響較小，但通過減小腔體側(cè)面與底面夾角等方式來改變腔體形狀可進一步提升試樣的升溫效率。

[1] 鄧志方.高溫SHPB實驗中的界面熱傳導(dǎo)特性及其影響[D].綿陽:中國工程物理研究院,2006.

[2] 蔣玉雷.快速熱處理設(shè)備溫度場控制技術(shù)研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2013.

[3] 張穎異,李運剛,張快,等.高溫電熱材料的研究發(fā)展[J].熱加工工藝,2011,40(18):40-43,47.

[4] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第2版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[5] 徐智.高精度加熱平臺的研制[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[6] 徐連輝.一側(cè)開口式圓柱形腔體熱損失特性的實驗研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[7] 郭鳳華.基于壁面均勻熱流的部分開口式圓柱形腔體耦合熱損失特性的數(shù)值模擬[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

[8] Kambiz Vafai, Javad Ettefagh. Thermal and fluid flow instabilities in buoyancy-driven flows in open ended cavities[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1990,33(10):2311-2328.

[9] E Bilgen, H Oztop. Natural convection heat transfer in partially open inclined square cavities[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005,48(8):1470- 1479.

[10] Sendhil Kumar Natarajan, K S Reddy, Tapas Kumar Mallick. Heat loss characteristics of trapezoidal cavity receiver for solar linear concentrating system[J]. Applied Energy, 2012,93:523-531.

[11] Zu-Guo Shen, Shuang-Ying Wu, Lan Xiao, et al. Experimental and numerical investigations of combined free convection and radiation heat transfer in an upward-facing cylindrical cavity[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2015,89: 314-326.

[12] Fluent Inc. Fluent user’s guide[M]. 2006.

[13] 余其錚.輻射換熱原理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

Numerical Simulation of Heat transfer Characteristics in a High Temperature Heating Device for Experiment

Jiang Qi Yu Nanyang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The research object is the high temperature heating device used in the dynamic mechanical properties of materials under certain high temperature conditions in this paper. The device was designed according to the small-sized press-in material testing machine developed by our laboratory. Taking the time required for the increase of internal energy of the sample as a measure, the effect of cavity geometry on the heating efficiency of the sample is discussed when the total input power is constant based on numerical simulation. The results show that as the heat transfer process proceeds, the proportion of convective heat loss in the cavity gradually decreases, and the proportion of radiant heat loss gradually increases and eventually dominates; When designing and optimizing the cavity structure of the heating device, appropriately increasing the opening ratio is beneficial to speed up the heating rate of the sample; Appropriate increase of the aspect ratio or changing the shape of the cavity when the opening ratio is constant is also beneficial to improve the heating efficiency of the sample.

high temperature heating device; non-contact heating; numerical simulation; engineering applications

TK32

A

1671-6612（2020）01-122-05

姜 琦（1993-），女，在讀碩士研究生，E-mail：jqecho007@163.com

余南陽（1961-），男，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：rhinos@126.com

2019-11-09