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 中國科學院工程熱物理研究所北京100190)

摘要國內重大裝備領域(如大飛機研制、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，筆者將通過經驗公式和模擬仿真的手段，對鋁合金固溶熱處理爐進行了改進和延伸。考察了短循環(huán)結構和長循環(huán)結構內氣體流場的分布情況，分析了靜壓箱楔板角度、底部水平結構、頂部中心處離布風柵板高度、布風柵板寬度以及柵板高度對內部流場的影響。數值模擬結果對鋁合金固溶熱處理爐的結構優(yōu)化、操作條件等給出了建議。

關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)是保證產品達到工藝要求的加熱速度和溫度均勻性的關鍵。良好的進風結構和風量設計是提高控溫精度、穩(wěn)定爐溫、縮小溫差波動的關鍵。目前，很多電爐內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、高機動性能要求的不斷提高，應用大型一體化整體結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接組合結構，已成為當今國內外設備結構研制的一大趨勢。其整體結構件具有質量輕，在剛度、抗疲勞強度以及各種失穩(wěn)臨界值等方面均優(yōu)于鉚接結構的顯著特點，在鍛件制造和陶瓷燒制過程中越來越多地采用整體結構件，如大梁、隔框、壁板等普遍采用了整體化結構設計。隨著對整體框架式結構需求的日益增大，對鋁型材的熱處理設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)已成為當務之急[1~2]。

結合國內裝置建造的發(fā)展趨勢以及國外競爭對手的最新技術，筆者通過經驗公式和模擬仿真，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)日后大飛機配套設備市場占有一席之地作好技術儲備工作。

1數值模型和數值方法

1.1　LES方法

鑒于目前計算機的發(fā)展水平，在計算流體力學涉及到紊流的數值模擬時，需要對計算網格的尺度進行嚴格的限制，因此目前主要針對小于計算網格尺度的紊流結構的數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界，最早進行三維湍流計算的氣象學家Smagorinsky使用了Smagorinsky亞格子尺度模型[3]。氣象學家Deardorff首次用LES方法對具有工程意義的槽道流動進行了模擬，證明了湍流三維計算的可行性，他只用了6 720個網格點就成功地預測出了槽道湍流的若干性質，特別重要的是他證明了LES方法用于湍流基礎研究的可行性[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生的影響，可通過次網格尺度模型建模。

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

(1)

(2)

對速度矢量進行變換，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網格劃分軟件，將長循環(huán)工作爐進行了三維建模和網格劃分。

圖1和圖2分別為長循環(huán)工作爐的三維實體圖和網格劃分圖(靜壓箱底部水平結構的長度為1 000mm; 靜壓箱頂部中心處離布風柵板的高度為300mm; 布風柵板的寬度為90mm; 柵板的高度為21mm; 柵板個數為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)風出口。在靜壓箱底部布置有布風柵板、靜壓箱頂部設計有斜板結構，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)內風量的作用，從而在工作區(qū)獲得均勻分布的流場結構。圖3和圖4為柵板和進風結構的網格劃分。

圖3　柵板的網格劃分

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

圖4　進風結構的網格劃分

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

數值模擬中設定靜壓箱的2個進口為速度進口邊界，循環(huán)風道的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)模擬邊界條件的設置。

表1　長循環(huán)工作爐的模擬條件

2結果分析

為了分析長循環(huán)工作爐內部的不同結構對流動的影響，我們選擇D，M，L和H這4個參數作為結構變化的量度，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)工作爐的內部結構三維實體圖

(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種計算工況達到了較高的收斂水平，從而保證了計算域內流動的可靠性和結果的真實性。

(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內部的速度矢量圖。當D=0時，從風機吹入的氣體沒有經過水平過度頂結構的緩和作用，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，進入柵板布風結構后流入下部的爐體內，因此在爐體的兩側產生了較大范圍的流動波動，流動的穩(wěn)定性較差。如果不設計靜壓箱頂部的斜板結構，如圖7(b)所示，流體在靜壓箱內隨著主流方向運動，兩端的流體在靜壓箱中部相遇后，產生強烈的動量交換，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動下向柵板運動，進入主工作區(qū)。而當D=1 000 mm時，流體經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)工作爐內流體軌跡圖。由圖8可以看出，當不設計水平過度結構時，流體進入靜壓箱后，即有部分流體折返進入柵板結構，流動極其不穩(wěn)定，不利于形成期望的流場環(huán)境。而當不設計斜板結構時，流體的動量頭很大部分被流體間的相互作用損失掉，進入工作區(qū)的流體很有限，也不利于良性流場環(huán)境的形成。因此，建議設計具有水平過度段的斜頂結構的靜壓箱。

圖9為常溫可壓縮空氣在長循環(huán)工作爐內的速度的切片云圖。

圖9　長循環(huán)工作爐內速度的切片云圖

由圖9可以看出：

1)在靜壓箱內， 流體在進口主流驅動下向靜壓箱內流動，流動穩(wěn)定，當遇到靜壓箱頂板的楔形結構后，流動變向，并集中向靜壓箱中部匯集。

2)在布風柵板的作用下，流體的速度突然增大，其靜壓頭轉變?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)的調整，進入工作區(qū)后，流體形成了相對均勻的流動狀態(tài)?？拷诿娴牧黧w遇到壁面障礙物后，形成折返，因此在壁面附近產生了渦流。

4)在爐體底部內外腔空隙的結構影響下，流體在狹小空間內速度增大，發(fā)生變軌運動，為進入循環(huán)風道做準備。

3結論

筆者結合市場發(fā)展的趨勢，提出對現有鋁合金固溶熱處理爐進行改進及延伸的方法，并基于數值模擬和經驗關系，得到如下結論：

1)在短循環(huán)結構中，通過模擬湍流區(qū)的分布可知，各個風機之間由于氣流循環(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。可通過在相應區(qū)域增加導流護板引導氣流走向，改善循環(huán)情況，減少或避免湍流的形成。短循環(huán)結構依靠風機的數量來滿足有效區(qū)長度的變化，當有效區(qū)長度增加后，風機數量及分區(qū)數量勢必增加，各分區(qū)之間干擾會進一步明顯。

2)在長循環(huán)結構中，爐門結構由現有雙層爐門結構改為桁架式單層結構，同時提升方式由斜面起升式改為軌道整體頂升式。數值模擬也對長循環(huán)的結構優(yōu)化、操作條件給出了建議。

參考文獻

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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

文獻標識碼: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；研究方向為燃燒數值模擬。

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