何 曉 吳小平 鐘詠雪 邢文濤

(四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司，四川625000)

Flowmaster在熱等靜壓機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用

何 曉 吳小平 鐘詠雪 邢文濤

(四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司，四川625000)

介紹了熱流體系統(tǒng)仿真平臺Flowmaster的特點(diǎn)。基于714K熱等靜壓機(jī)URC(均勻快速冷卻)冷卻系統(tǒng)原理，在Flowmaster中建立了三維仿真模型，模擬了714K熱等靜壓機(jī)URC冷卻系統(tǒng)在不同工況下氣體的流動與換熱特性以及各種參數(shù)的分布與變化情況，可以得到空載分析、帶載分析、自然冷卻、安全分析等過程中熱等靜壓機(jī)工作缸內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的溫度、壓力分布狀態(tài)和曲線，以及混合裝置驅(qū)動氬氣循環(huán)時各裝置、通道氬氣流動狀態(tài)。

熱等靜壓機(jī)；Flowmaster；數(shù)值仿真

熱等靜壓技術(shù)(HIP)是將鑄件放置到密閉的容器中，向鑄件施加各向同等壓力(最高200 MPa)、同等高溫(最高2000℃)，使鑄件進(jìn)行燒結(jié)和致密化的過程[1]。通過高溫高壓處理使鑄件內(nèi)部結(jié)晶細(xì)化，彌合微小的孔隙，并增加強(qiáng)度和韌性，改善材料力學(xué)性能。

1965年美國Battelle研究所研制的第一臺熱等靜壓機(jī)的問世，標(biāo)志著熱等靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生[2]。經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)研究，目前先進(jìn)的熱等靜壓機(jī)為預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu)，高壓容器的端蓋與缸體間的連接為無螺紋連接，如瑞典AVURE公司的熱等靜壓機(jī)[3]。

目前，我國主要是北京鋼鐵研究院生產(chǎn)的SIP系列和中國航空工業(yè)川西機(jī)器廠生產(chǎn)的RDJ系列熱等靜壓機(jī)[4]。由于我國在這方面的起步和應(yīng)用較晚，在熱等靜壓機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)和研究方面相對于國外還比較落后，目前還未能完全掌握熱等靜壓機(jī)內(nèi)部的流動和換熱特性，因此非常有必要加強(qiáng)這方面的研究。由于熱等靜壓機(jī)工作時的壓力大，溫度高，尺寸大，這給實(shí)驗(yàn)研究帶來了很大的困難，因此理論分析和數(shù)值研究成為研究其性能的重要手段。

714K熱等靜壓機(jī)(RDJ 1200 / 2000 -200.1400型熱等靜壓機(jī))結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]，工作溫度高，壓力大，工作介質(zhì)氬氣流動復(fù)雜，數(shù)值仿真難度很大。本文采用熱流體系統(tǒng)仿真平臺flowmaster軟件對川西機(jī)器廠生產(chǎn)的714K熱等靜壓機(jī)的性能進(jìn)行數(shù)值研究，探索熱等靜壓機(jī)內(nèi)部高壓工作的氬氣的流動與換熱規(guī)律。根據(jù)714K熱等靜壓機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、URC[6]原理結(jié)構(gòu)搭建了三維仿真模型，對其流動與換熱性能進(jìn)行了仿真。

1 Flowmaster介紹

Flowmaster是一種熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺，因其對流體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有高效的計(jì)算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方式而被許多全球著名用戶所采用。Flowmaster V7作為新一代熱流體系統(tǒng)仿真軟件，它具有以下功能和特點(diǎn)：能精確預(yù)測系統(tǒng)參數(shù)，具有完備的分析模塊以及完備的元件庫，流程化的平臺界面，強(qiáng)大的后處理及報表生成工具[7]。這些優(yōu)良特性為復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)的仿真提供了很好的基礎(chǔ)，是一款較為適合用于分析復(fù)雜流動與換熱特性區(qū)域的仿真軟件。

2 714K熱等靜壓機(jī)URC冷卻系統(tǒng)

714K熱等靜壓機(jī)URC(均勻快速冷卻)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 714K熱等靜壓機(jī)URC原理結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Configuration of principle for 714K hot isostatic press uniform rapid cooling system

根據(jù)UCR原理結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)分為熱區(qū)以及冷區(qū)，其中熱區(qū)是指熱等靜壓機(jī)的有效使用區(qū)域，在高溫高壓狀態(tài)時，達(dá)到約定的溫度均勻性。在熱區(qū)中用于壓制的區(qū)域?yàn)檠b料室(包括料框等，面積為S0)，料框外筒均布通氣小孔，平衡料框內(nèi)外的壓力，防止變形。而冷區(qū)是指熱等靜壓機(jī)下端蓋與基座基板之間形成的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，溫度要求不超過80℃，該區(qū)域用于安裝循環(huán)電機(jī)、供冷氣閥(或冷氣電機(jī))、插件、電纜等。熱區(qū)與冷區(qū)通過混合裝置摻混，混合裝置由冷熱氬氣通道、摻混區(qū)、混合區(qū)、循環(huán)風(fēng)扇等組成。均勻循環(huán)時，加速熱氬氣的循環(huán)速度，提高熱區(qū)的均勻性。快冷時，按快冷速率要求計(jì)算出冷熱氬氣用量進(jìn)行混合，最大冷熱氬氣混合比例為1∶4，混合后溫氬氣由循環(huán)風(fēng)扇驅(qū)動至裝料室頂部。裝料室與工件之間保留熱氣體的流動通道(通道面積為S1)為裝料通道T1，通道形狀根據(jù)工件設(shè)置，面積按最小流通面積計(jì)算，面積一般是裝料室總面積S0的10%～20%。隔熱屏內(nèi)壁與料框形成的通道為循環(huán)通道T2(通道面積為S2，S2≤S1，S2=S3+S4+氣隙)，用于循環(huán)裝料室內(nèi)的熱氬氣。通道設(shè)計(jì)時要考慮發(fā)熱體和絕緣瓷珠對氣流流動的影響。通道內(nèi)熱氣體在均勻循環(huán)時要求與裝料室溫度相同，快冷時比裝料室溫度稍低。在熱氬氣進(jìn)入到循環(huán)通道時，有一部分氬氣會經(jīng)過熱摻混通道T3進(jìn)入摻混區(qū)(面積為S3)，通過在鉬筒上開孔形成通道，調(diào)整開孔面積來滿足實(shí)際要求。隔熱屏底部有隔熱屏通道T4，循環(huán)通道來的熱氬氣進(jìn)入隔熱屏內(nèi)部冷卻通道(面積為S4)，通過在鉬筒上開孔形成通道，調(diào)整開孔面積可滿足實(shí)際要求。循環(huán)時，進(jìn)入的熱氬氣可以忽略不計(jì)?？炖鋾r，熱氬氣從底部進(jìn)頂部出，溫度要求從1250℃逐漸降低到500℃左右。隔熱屏外屏與工作缸內(nèi)壁(水冷結(jié)構(gòu))之間形成的環(huán)形通道(面積為S5)為快冷通道T5，包括隔熱屏開孔與上端下表面組成的區(qū)域，循環(huán)時，進(jìn)入的溫氬氣可忽略不計(jì)?？炖鋾r，溫氬氣從頂部進(jìn)底部出，溫度要求從500℃逐漸冷卻到80℃以下。冷氬氣經(jīng)由冷摻混通道T6進(jìn)入摻混區(qū)的通道(面積為S6)，通過冷氣閥或電機(jī)控制。冷氣閥設(shè)置3種通徑，根據(jù)快冷速率控制3個閥或電機(jī)，實(shí)現(xiàn)冷氬氣控制。工作缸的冷卻水與內(nèi)壁組成通道，在均勻快冷期間實(shí)現(xiàn)熱交換器的作用。溫氬氣經(jīng)熱交換器降到冷氬氣。要求在工作缸冷卻進(jìn)水溫度30℃的邊界條件下，要求工作缸內(nèi)壁溫度≤200℃。在工作過程中根據(jù)溫度的不同，氬氣也可分為三部分：熱氬氣，即熱區(qū)周圍、通道到T1-T3的氬氣，最高溫度為1250℃，隨著設(shè)定降溫曲線而降低；溫氬氣，即快冷時，冷熱氬氣經(jīng)混合裝置均勻混合并由風(fēng)扇驅(qū)動到裝料室的溫?zé)釟鍤?，溫氬氣的溫度要求大于裝料室溫度的90%，根據(jù)UCR速率通過計(jì)算確定其溫度和流量；冷氬氣，即經(jīng)工作缸內(nèi)壁冷卻后的氬氣，溫度≤80℃。

3 Flowmaster的數(shù)值仿真

3.1 模塊與工質(zhì)

根據(jù)仿真要求中所涵蓋的仿真內(nèi)容，需采用Flowmaster V7中的穩(wěn)態(tài)換熱仿真模塊(Heat transfer steady state)以及瞬態(tài)換熱仿真模塊(Heat transfer transient state)對相應(yīng)的工況展開分析[8]。基于Flowmaster NIST數(shù)據(jù)庫[9]中的Ar元素以及內(nèi)置的NIST函數(shù)自定義生成能夠滿足所有計(jì)算工況的Argon(壓力：0.1 bar～2100 bar；溫度：0～1500℃)作為仿真工質(zhì)。

3.2 研究內(nèi)容

主要對以下幾種工況進(jìn)行分析：

(1)空載分析

空載條件下，在溫度1250℃、壓力200 MPa時，以URC速率50℃/min，從1250℃冷卻至600℃，對URC過程進(jìn)行了仿真分析。

(2)帶載分析

分別裝載3 t和5 t工件(工件材料為鈦合金或高溫合金)條件下，在溫度1250℃、壓力150 MPa時，分別以URC速率30℃/min和20℃/min，從1250℃冷卻至600℃時，對URC過程進(jìn)行了仿真分析。

(3)自然冷卻

在URC驗(yàn)證完成后，裝料5 t工件(工件材料為鈦合金或高溫合金)條件下，模擬溫度從1400℃自然降溫到300℃的仿真分析。仿真監(jiān)測點(diǎn)，增加3個工件監(jiān)測點(diǎn)。

(4)安全分析

在熱等靜壓機(jī)URC工作時，從熱區(qū)循環(huán)出來的高溫氬氣對工作缸內(nèi)壁造成熱沖擊，快速冷卻速率過大或失控時，氬氣溫度高達(dá)500～800℃。熱應(yīng)力會造成工作缸產(chǎn)生裂紋或失效，造成安全事故。另外，循環(huán)風(fēng)扇在高溫環(huán)境下運(yùn)行，如果失效會造成安全事故。因此，熱等靜壓機(jī)的URC安全是關(guān)鍵。

在溫度1250℃、壓力200 MPa、空爐50℃/min極限狀態(tài)下，進(jìn)行分析。

裝料5 t，在溫度1250～600℃、壓力150 MPa、冷卻速率20℃/min狀態(tài)下，進(jìn)行分析。

失效模式，在溫度1250℃、壓力200 MPa、空爐冷卻速率50℃/min、URC狀態(tài)時，建立失效模式進(jìn)行分析。

在上述幾種工況下，分別模擬以下過程：

(1)混合裝置：仿真電機(jī)驅(qū)動循環(huán)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，將冷熱氬氣均勻混合，并經(jīng)工作臺面板流向裝料室。

(2)氬氣經(jīng)裝料通道，在溫氬氣和氬氣溫差的作用下，帶動裝料室內(nèi)熱氬氣混合上升到隔熱屏頂部降溫流到循環(huán)通道。

(3)氬氣經(jīng)循環(huán)通道，在冷氬氣作用下，向下流動分別流向熱參混通道和隔熱屏通道。

(4)氬氣經(jīng)熱參混通道開孔進(jìn)入?yún)⒒靺^(qū)。

(5)氬氣經(jīng)隔熱屏底部開孔進(jìn)入隔熱屏通道。

(6)氬氣經(jīng)隔熱屏頂部流向上端蓋與工作缸的冷卻通道。

(7)冷區(qū)的氬氣在循環(huán)風(fēng)扇的作用下(真空吸力)，進(jìn)入冷參混通道(或供冷氬氣裝置驅(qū)動冷氬氣進(jìn)入冷參混通道)。

(8)冷卻水在30℃、流量54 m3/h的邊界條件下經(jīng)工作缸和上端蓋時工作缸、上端蓋溫度和冷卻水狀態(tài)(流量、溫度和壓力)。

3.3 仿真系統(tǒng)模型

利用Flowmaster對冷卻系統(tǒng)搭建的模型，其部件的連接關(guān)系清晰明了，部件的名稱可以通過標(biāo)注加以說明，此外，部件的添加和增減以及參數(shù)的修改都非常的便捷，只需通過簡單的鼠標(biāo)操作就可以實(shí)現(xiàn)，大大簡化了整個建模過程和模型的修正過程。整個模型可看成一系列帶流量、壓力、溫度參數(shù)原件的串聯(lián)和并聯(lián)，以風(fēng)扇的出、進(jìn)口作為模型的起始點(diǎn)，那么該兩點(diǎn)的流量恒相等，壓差為風(fēng)扇的全壓升，換熱效率由冷卻水進(jìn)出口溫度、流量和換熱時間決定，最終仿真計(jì)算得到的各通道流量、壓力、溫度分布應(yīng)滿足收斂性要求。對于設(shè)計(jì)和校驗(yàn)的工程師而言，F(xiàn)lowmaster是非常實(shí)用的CAE工具，能極大的提高試差分析的效率。

上端蓋區(qū)域包含從裝料室經(jīng)頂部孔盤經(jīng)上端蓋冷卻之后進(jìn)入到發(fā)熱體通道之前的部分，上端蓋的換熱效率通過CFD計(jì)算獲取。

圖2為裝料室及冷卻通道區(qū)域Flowmaster計(jì)算模型。此部分包含裝料室通道T1、循環(huán)通道T2、冷卻通道T5以及冷卻水通道等。由于Flowmaster的熱交換計(jì)算都是在節(jié)點(diǎn)上完成的，因此根據(jù)系統(tǒng)特性，沿流動方向?qū)⑾到y(tǒng)離散為10個彼此串聯(lián)的單元，冷卻水套的換熱效率通過CFD計(jì)算獲取。

底部端蓋及摻混區(qū)域部分包含風(fēng)扇、熱摻混通道T3、隔熱屏通道T4、冷摻混通道T6、混合區(qū)、循環(huán)風(fēng)扇、下端蓋等，其中循環(huán)風(fēng)扇的壓頭特性通過CFD計(jì)算獲取。

3.4 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)初步調(diào)試，系統(tǒng)能夠滿足收斂性要求，圖3至圖5所示分別為系統(tǒng)流量、壓力及溫度分布顯示效果。

4 效果

采用上述Flowmaster的仿真過程，可以得到714K熱等靜壓機(jī)URC冷卻系統(tǒng)在不同工況下氣體的流動與換熱特性以及各種參數(shù)的分布與變化情況，具體如下：

(1)得到熱等靜壓機(jī)工作缸內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的溫度、壓力分布狀態(tài)和曲線，以及混合裝置驅(qū)動氬氣循環(huán)時各裝置、通道氬氣流動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在極限狀態(tài)下，工作缸冷卻水流量最大，并比較計(jì)算結(jié)果符合性。

圖2 裝料室及冷卻通道區(qū)域Flowmaster計(jì)算模型Figure 2 Flowmaster calculated model of charging chamber and cooling channel zone

圖3 裝料室通道T1及發(fā)熱體通道局部體積流量分布Figure 3 Local volume flow distribution of charging chamber passage T1 and heating unit passage

(2)在帶載分析時，得到了熱等靜壓機(jī)工作缸內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的溫度、壓力分布狀態(tài)和曲線，以及混合裝置驅(qū)動氬氣循環(huán)時各裝置、通道氬氣流動狀態(tài)。

圖4 裝料室通道T1及發(fā)熱體通道局部壓力分布Figure 4 Local pressure distribution of charging chamber passage T1 and heating unit passage

圖5 裝料室通道T1及發(fā)熱體通道局部溫度分布效果Figure 5 Local temperature distribution effect of charging chamber passage T1 and heating unit passage

(3)通過對自然冷卻過程的模擬，獲得了熱等靜壓機(jī)工作缸內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的溫度、壓力分布狀態(tài)和曲線，以及熱等靜壓機(jī)自然冷卻時各裝置、通道氬氣流動狀態(tài)。

(4)可以通過安全分析和失效模式的分析，獲得熱等靜壓機(jī)在極限狀態(tài)下工作缸內(nèi)套和循環(huán)風(fēng)扇熱應(yīng)力分布、工作缸內(nèi)套內(nèi)壁和外壁溫度分布趨勢。并可以進(jìn)行工作缸內(nèi)套熱應(yīng)力分布、工作缸內(nèi)套內(nèi)壁和外壁溫度分布趨勢和工作缸壽命、疲勞和安全性分析。

5 結(jié)論

通過Flowmaster軟件對714K熱等靜壓機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中氬氣的流動與換熱特性進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，該軟件可以較好地模擬出熱等靜壓機(jī)內(nèi)主要特征區(qū)域的溫度和壓力分布，以及在不同的流動結(jié)構(gòu)中的流動損失特性。因此證明了Flowmaster軟件對于熱等靜壓機(jī)內(nèi)的復(fù)雜流動與換熱特性的研究是適用的，獲得的研究結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和修正后，可以為建立熱等靜壓機(jī)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。

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編輯 杜青泉

Application of Flowmaster in Hot Isostatic Press Cooling System Simulation

He Xiao,Wu Xiaoping,Zhong Yongxue,Xing Wentao

Characteristics of Flowmaster of thermal fluid system simulation platform has been described.Based on principle of 714K hot isostatic press uniform rapid cooling system,three dimensional simulation model has been established in Flowmaster,which simulated gas flow and heat transfer features of 714K hot isostatic press uniform rapid system under various working conditions as well as respective distribution and changing situation of parameters,it could work out temperature,pressure distribution status and curve of each monitoring spot for hot isostatic press working cylinder in the processes of no-load analysis,load analysis,natural cooling and safety analysis as well as argon flowing situation in various device and channel when argon was being circulated by mixed device.

hot isostatic press; Flowmaster; numerical simulation

2016—10—10

TF124.3

A