CN102375931B - 模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法 - Google Patents

模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法。具体地，本发明涉及用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，所述方法包括：当零件的温度大于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：（1）；当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：（4）；当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：（3），（6），（7），（8）,或（9）；当零件的温度小于T1时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递 ：（5）。还公开了预测淬火的铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的系统，方法和制品。

Description

模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法
技术领域
本发明总体涉及用于精确地计算铝合金的瞬时热传递和温度分布的方法，更具体地，涉及用于计算在水淬火期间的铸造铝合金的瞬时热传递和温度分布的方法。
背景技术
铝合金铸件广泛用于汽车工业以减小重量并改进燃料效率。为了改进机械性能，铝铸件经常受到全T6/T7温度处理，其包括以相对高温的固溶处理，在例如水的冷介质中淬火，然后在中间温度时效硬化。大量残余应力能够在铝铸件淬火时（尤其是在水中）在铝铸件中产生。如2007年在Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515上的Li, P., Maijer, D. M., Lindley, T. C. 的“Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and its Impact on Fatigue Life”；2009年在SAE International Journal of Materials & Manufacturing, 1(1) pp. 725-731上的Li, K., Xiao, B.和Wang, Q. 的“Residual in As-Quenched Aluminum Castings”。残余应力的存在，尤其是拉伸残余应力的存在会对结构部件的性能产生很大的不利影响。在很多情况下，高拉伸残余应力还会导致部件的严重扭曲，并且它们甚至会导致淬火期间或随后的制造工艺期间的破裂。如2007年的Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515上的Li, P., Maijer, D. M., Lindley, T. C.的“Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and Its Impact on Fatigue Life”；2005年的Elsevier Butterworth-Heinemann, pp. 402上的Lee, Y.L., Pan, J., Hathaway, R.的“Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice”。
铸造铝部件在淬火期间产生的残余应力和扭曲量显著地取决于淬火期间的淬火速度和铸造的温度分布的不均匀程度。淬火期间铝铸件的热传递包含传导、对流、辐射甚至相变，这取决于淬火介质。在水淬火工艺中，铝铸件的热传递包含至少三个主要阶段，其包括膜状沸腾（1），泡核沸腾（2）和对流（3），如图1所示。如2002年的McGraw-Hill, New York, pp. 665上的Holman, J.P.的“Heat Transfer”。
这些阶段的每个都具有非常不同的特性。第一阶段冷却的特征在于在部件周围形成气相膜（蒸气）。这是相对缓慢的冷却时段，在这期间热传递由辐射和通过气相（蒸气）覆盖层发生。然而，随着气相（蒸气）膜的厚度增加，稳定的蒸气膜最终破坏，并且水与热金属表面接触，导致泡核沸腾和高热排热速度。随着连续沸腾，金属表面温度快速降低到沸腾停止的点并且热量通过对流到水中而除去。结果，在该阶段期间热量被非常缓慢地除去。
图2示出了热传递速度α和温差ΔT之间的一般关系（淬火工艺在箭头方向上进行（从右到左））。当热金属表面在淬火开始时接触水时，ΔT太高使得蒸气产生变得太快并且大部分金属表面被蒸气泡覆盖（膜状沸腾（1））。结果，没有更多与金属表面直接接触的水被搅动。因此，产生了不良影响（因为低α蒸气，热传递速度是水的1/20）并且其变成金属表面和蒸气之间主要通过对流的热传递的问题。随着蒸气覆盖层厚度的增加和ΔT的减小，相对缓慢的冷却继续，如图2所示。当α和q在α-ΔT曲线（图2）中降低到点a，稳定的蒸气膜最终破坏，并且水与热铸造表面直接接触，导致泡核沸腾（2）和排热速度的快速增加（在图2中α-ΔT曲线的a到b之间）。在该阶段，水完全被产生的蒸气泡搅动。最大热传递q max 通过增加的α和减小的ΔT的组合效果在α-ΔT曲线中的点b达到。在点b之后，沸腾继续但是变得轻微，并且金属表面温度快速降低。结果，搅动和热传递速度α在图2的α-ΔT曲线中随着b-c剧烈减小。当铸件表面温度降低到一定点时，沸腾停止，并且热量通过对流（3）到水中而除去。在这种情况下，热传递速度α较低。
因为沸腾现象太复杂，即使利用了最先进精密的计算流体动力学（CFD）算法，沸腾热传递的理论分析长期都是一个有挑战性的问题。尽管α或q在ΔT上的关联函数在图2中展示，其中a和b是q的最小和最大值的点，曲线的abc部分（将在后面讨论）太不稳定使得难以在实际中获得。
膜状沸腾
膜状沸腾能够作为单相边界问题来处理。如1984年的International Journal of Heat and Mass Transfer, 27(7) pp. 959-970上的Nukiyama, S.的“The Maximum and Minimum Values of the Heat Q Transmitted from Metal to Boiling Water Under Atmospheric Pressure”。膜状沸腾期间的热传递简单描述为：
  （Tmetal >约500℃）           （1）
其中q是每单位时间每单位面积从铸件表面传递到水的热量；α是传热系数，ΔT是铸件表面和水之间的温差，如图3所示。对于在540℃固溶处理的然后在水（<100℃）中淬火的铸造铝部件，膜状沸腾在相对高温（>500℃）发生。
泡核沸腾
在泡核沸腾期间的热传递能够基于经验公式计算：
  （Tmetal <约500℃）           （2）
其中c1和c2是常数，其能够以材料和淬火条件校准，如图3所示。如1952年的Trans. ASME vol. 74, 969-976上的Rohsenow, W.的“A method of correlating heat transfer data for surface boiling of liquids”。
由于相变，尤其是泡成核和相互作用的复杂性在水淬火中的铸造铝合金的热传递的精确建模保持了极大的挑战性。
在计算热传递和界面热传递系数的文献中报告了很多经典经验公式。然而，它们的应用非常有限，因为它们中的大部分在某些特定实验条件下被校准，这会与实际生产情况有很大不同。近年来，流体流和热传递的CFD模拟已经取得了很大进步。但是，在水淬火期间的铝铸件的热传递和温度分布的当前CFD预测是不精确的，因为水和热铝铸件之间的复杂的相互作用和热传递现象不能完全地被理解并在最先进的流体流和热传递代码中展现。图4A-B示出了使用最先进的流体流和热传递代码相比于实验测量在热模拟中观察的显著差异的例子。
为了精确地预测在淬火期间铸造铝部件中诱发的残余应力和扭曲量以及淬火的铸造铝部件在维修期间的机械性能和耐用性，至关重要的是理解热传递并计算在铸件淬火期间精确的温度分布。因此，需要开发改进的方法和系统，其能够精确地预测在水淬火期间铸造铝部件中的热传递和温度分布。
发明内容
本发明提供了改进的计算流体动力学方法和技术以精确地模拟在淬火期间从热铸造铝部件到水的热传递。本发明可用于所有可时效硬化的铝合金，其包括锻造和铸造铝合金。
对于铸造铝合金，发现了来自泡核沸腾，尤其是来自过渡沸腾的热传递是主导的。然而，通过膜状沸腾的热传递是非常有限的，如图5A所示的。在铸件淬火期间从位置到另一位置的大量热通量和冷却速度变化能够归因于泡形成，运动及其相互作用。
在过渡阶段期间从热铸造铝部件传递到水的热通量能够通过图6所示的两个函数描述：一个称作“临界点函数”，其定义了最大热通量（公式3），另一个称作过渡沸腾函数（公式4）。
本发明的一个方面涉及一种用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，所述方法包括：
当零件的温度大于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                    （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                         （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：
             （3），
         （6），
）              （7），
）               （8），或
                    （9）；
当零件的温度小于T1时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
             （5）；
其中：
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件。
对于铸造铝合金：
c1从约2000到约13,000 W/（m2Kc2）变化，或者从约3500到约11,000 W/（m2Kc2）变化；
c2从约1.3到约1.9变化，或者从约1.4到约1.6变化；
从1.5E+06到3E+06 W/m2变化，或者从1.5E+06到2.25E+06 W/m2变化；
k1从5E+09到9E+09 W/（m2Kk2）变化，或者从6E+09到7E+09 W/（m2Kk2）变化；和
k2从约-1.5到约-2.0变化，或者从约-1.6到约-1.7变化。
上述关联能够在计算流体动力学（CFD）代码中应用。该应用包括在固体-流体界面处对流（单相）和沸腾热通量的叠加。
本发明的另一方面涉及一种预测淬火的铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的系统。所述系统包括：信息输入部，其配置成接收信息，该信息与在铝铸件淬火期间所述铝铸件的至少一个节点和元件的多个中的至少一个相关；信息输出部，其配置成传送信息，该信息与由所述系统预测的所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者相关；处理单元；以及计算机可读介质，所述计算机可读介质包括编入其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读介质与所述处理单元，所述信息输入部和所述信息输出部协作，使得所接收的信息由所述处理单元和计算机可读程序代码操作从而作为所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者提供到所述信息输出部，所述计算机可读程序代码包括流体流模拟模块，湍流沸腾流模块和热传递模块，其中：所述流体流模拟模块模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的表面几何形状相关的至少一个虚拟表面节点和元件的多个，所述虚拟铝铸件分别包括至少一个空间节点和元件的多个；所述湍流沸腾流模块模拟液相的速度分布，压力分布和蒸气/水相的相互作用中的一个或多个；所述热传递模块计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；所述热传递模块使用上述公式估算所述铝零件的热传递；所述热传递模块使用所述热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的。
本发明的另一方面涉及一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的方法。所述方法的一个实施例包括：提供所述铝铸件，所述铝铸件包括至少一个节点和元件的多个中的至少一个，并且所述铝铸件已经通过淬火工艺淬火；模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，其中所述虚拟铝铸件包括与节点相关的多个虚拟表面区域的至少一个，以及所述铝铸件的元件，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，所述空间元件分别包括多个节点；计算相应的虚拟节点和元件的湍流沸腾流；使用上述公式估算所述铝零件的热传递；计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；使用相应的表面节点特定热传递系数和元件特定热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的；使用所述虚拟节点特定温度和元件特定温度以及热膨胀/热收缩系数预测相应的虚拟节点和元件的热传递或温度分布，或者其二者。
本发明的另一方面涉及一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的制品。所述制品的一个实施例包括信息输入部，信息输出部和至少一个计算机可用介质，其中：信息输入部配置成接收信息，该信息与在铝铸件淬火期间所述铝铸件的至少一个节点和元件的多个中的至少一个相关；信息输出部配置成传送信息，该信息与由所述制品预测的所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者相关；计算机可用介质，所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火和所述铝铸件的淬火，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的至少一个节点和元件相关的多个虚拟表面节点和元件的至少一个，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，虚拟空间元件分别包括多个节点；所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于计算湍流沸腾流；所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于使用上述公式估算所述铝零件的热传递；所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于使用热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的；以及所述计算机可用介质与信息输入部和信息输出部协作，使得所接收的信息由所述计算机可读程序代码装置操作从而作为所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的预测提供到所述信息输出部。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，包括：
当零件的温度大于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                    （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                         （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：
             （3），
         （6），
）              （7），
）               （8），或
                    （9）；
当零件的温度小于T1时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
             （5）；
其中：
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度； 
；和
c1，c2，，，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件。
2. 如方案1所述的方法，其特征在于，所述临界点函数公式为：
            （3）。
3. 一种预测淬火的铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的系统，所述系统包括：
信息输入部，其配置成接收信息，该信息与在铝铸件淬火期间所述铝铸件的至少一个节点和元件的多个中的至少一个相关；
信息输出部，其配置成传送信息，该信息与由所述系统预测的所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者相关；
处理单元；以及
计算机可读介质，所述计算机可读介质包括编入其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读介质与所述处理单元，所述信息输入部和所述信息输出部协作，使得所接收的信息由所述处理单元和计算机可读程序代码操作从而作为所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者提供到所述信息输出部，所述计算机可读程序代码包括流体流模拟模块，湍流沸腾流模块和热传递模块，其中：
所述流体流模拟模块模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的表面几何形状相关的至少一个虚拟表面节点和元件的多个，所述虚拟铝铸件分别包括至少一个空间节点和元件的多个；
所述湍流沸腾流模块模拟液相的速度分布，压力分布和蒸气/水相的相互作用中的一个或多个；
所述热传递模块计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；
当零件的温度大于500℃时，所述热传递模块使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                    （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，所述热传递模块使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                         （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，所述热传递模块使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：
             （3），
         （6），
）              （7），
）               （8），或
                    （9）；以及
当零件的温度小于T1时，所述热传递模块使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
             （5）；
其中：
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件；以及
所述热传递模块使用所述热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的。
4. 如方案3所述的系统，其特征在于，所述临界点函数公式为：
            （3）。
5. 如方案3所述的系统，其特征在于，所接收的信息包括与所述铝铸件的多个材料属性的至少一个相关的信息。
6. 如方案5所述的系统，其特征在于，所述材料属性包括密度，热导率和粘度。
7. 如方案3所述的系统，其特征在于，所述湍流沸腾流模块使用下列公式计算所述湍流沸腾流：
      （12）
  （13）
其中P l 是由于液体（水）剪应力的湍流产物，k l 是液体（水）湍流动能；μ l 是液体（水）的总动态粘度，其取决于气相体积分数（1-α l ），ρ l 是液体（水）的密度，
         （14）
              （15）
其中是界面阻力，t c 是泡诱发湍流的特征时间，
              （16）
其中d b 是泡直径，ε l 是液体（水）湍流动能的耗散速度。
8. 如方案3所述的系统，其特征在于，所述虚拟铝铸件的虚拟表面元件和节点包括所述虚拟铝铸件的至少一个顶表面，至少一个侧表面，和与淬火方向相关的所述虚拟铝铸件的至少一个底表面。
9. 如方案8所述的系统，其特征在于，虚拟表面分别包括多个空间元件，其分别由长度（x），宽度（y）和深度（z）限定。
10. 一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的方法，所述方法包括：
提供所述铝铸件，所述铝铸件包括至少一个节点和元件的多个中的至少一个，并且所述铝铸件已经通过淬火工艺淬火；
模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，其中所述虚拟铝铸件包括与节点相关的多个虚拟表面区域的至少一个，以及所述铝铸件的元件，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，所述空间元件分别包括多个节点；
计算相应的虚拟节点和元件的湍流沸腾流；
当零件的温度大于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                    （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                         （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：
             （3），
         （6），
）              （7），
）               （8）
                    （9）
当零件的温度小于T1时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
             （5）；
其中：
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件；
计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；
使用相应的表面节点特定热传递系数和元件特定热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的；
使用所述虚拟节点特定温度和元件特定温度以及热膨胀/热收缩系数预测相应的虚拟节点和元件的热传递或温度分布，或者其二者。
11. 如方案10所述的方法，其特征在于，所述临界点函数公式为：
            （3）。
12. 如方案10所述的方法，其特征在于，使用下列公式计算所述湍流沸腾流：
      （12）
  （13）
其中P l 是由于液体（水）剪应力的湍流产物，k l 是液体（水）湍流动能；μ l 是液体（水）的总动态粘度，其取决于气相体积分数（1-α l ），ρ l 是液体（水）的密度，
         （14）
              （15）
其中是界面阻力，t c 是泡诱发湍流的特征时间，
              （16）
其中d b 是泡直径，ε l 是液体（水）湍流动能的耗散速度。
13. 一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的制品，所述制品包括信息输入部，信息输出部和至少一个计算机可用介质，其中：
信息输入部配置成接收信息，该信息与在铝铸件淬火期间所述铝铸件的至少一个节点和元件的多个中的至少一个相关；
信息输出部配置成传送信息，该信息与由所述制品预测的所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者相关；
计算机可用介质，所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火和所述铝铸件的淬火，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的至少一个节点和元件相关的多个虚拟表面节点和元件的至少一个，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，虚拟空间元件分别包括多个节点；
所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于计算湍流沸腾流；
所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于：
当零件的温度大于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                    （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
                         （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：
             （3），
         （6），
）              （7），
）               （8）
                    （9）
当零件的温度小于T1时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递：
             （5）；
其中：
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件；
所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；
所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于使用热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的；以及
所述计算机可用介质与信息输入部和信息输出部协作，使得所接收的信息由所述计算机可读程序代码装置操作从而作为所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的预测提供到所述信息输出部。
14. 如方案13所述的制品，其特征在于，所述临界点函数公式为：
            （3）。
15. 如方案13所述的制品，其特征在于，使用下列公式计算所述湍流沸腾流：
      （12）
  （13）
其中P l 是由于液体（水）剪应力的湍流产物，k l 是液体（水）湍流动能；μ l 是液体（水）的总动态粘度，其取决于气相体积分数（1-α l ），ρ l 是液体（水）的密度，
         （14）
              （15）
其中是界面阻力，t c 是泡诱发湍流的特征时间，
              （16）
其中d b 是泡直径，ε l 是液体（水）湍流动能的耗散速度。
附图说明
图1是示出了水淬火期间冷却的三个阶段的曲线图。
图2是示出了水淬火中热传递和热传递速度对温差的曲线图。
图3是示出了水淬火中热传递对温差的曲线图。
图4A-B是比较在热电偶11和12在水中淬火的试验铝铸件的计算的温度分布的曲线图。
图5A是比较在540℃固溶处理的和在74℃在水中淬火的A356铸件的水淬火中测量的热传递通量对温差的曲线图，并且图5B是热电偶的位置的图示。
图6是示出了水淬火中热通量对温差的曲线图。
图7是对于铸造中装备的热电偶1和2比较计算的热通量与测量值的曲线图。
图8是对于热电偶1和2比较计算的温度分布与测量的冷却曲线的曲线图。
图9是对于热电偶1和2比较计算的温度分布与测量的冷却曲线的曲线图。
图10是对于热电偶7和8比较计算的热通量与测量值的曲线图。
图11是对于热电偶7和8比较计算的温度分布与测量的冷却曲线的曲线图。
图12是对于热电偶7和8比较计算的温度分布与测量的冷却曲线的曲线图。
图13示出了根据本发明的一个实施例在淬火期间预测铝铸件的热传递和温度分布的系统。
具体实施方式
在水淬火工艺中，热传递到搅动的水的热金属物体的通常被构思成包含三个阶段，其包括膜状沸腾，泡核沸腾和对流。然而，对于铸造铝部件，发现了在膜状沸腾和泡核沸腾之间的过渡沸腾中的热传递占主导。
图5A示出了在温水（74℃）中垂直淬火的相框形铝铸件中装备的12个热电偶测量的冷却曲线中计算的热通量。热电偶的位置在图5B中显示。尽管在不同热电偶之间的热传递曲线中能够观察到明显的差异，一般趋势是十分类似的。对于540℃固溶处理的铸造铝合金（A356），发现了来自泡核沸腾，尤其是来自过渡沸腾的热传递占主导。然而，膜状沸腾是非常有限的。这可能是因为在铸件淬入水中时其低表面温度。从位置到另一位置的热通量变化能够归因于泡形成，运动及其相互作用。
在文献或公开领域中没有报告计算膜状沸腾和泡核沸腾之间的过渡阶段期间的热传递的分析模型或经验公司，因为沸腾过程太复杂。
在过渡体系中，泡核沸腾和膜状沸腾二者被假定以不稳定的方式在两种体系之间具有流物理振荡地存在。因此，过渡函数试图通过多项式来混合两种贡献。
发现了在过渡阶段期间从热铸造铝部件传递到搅动水的热通量能够由图6所示的两个函数描述：一个称作“临界点函数”，其定义了最大热通量（公式3），另一个称作过渡沸腾函数（公式4）。在泡核沸腾中，热通量遵循公式5。
           （3）
            （4）
            （5）
其中：
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数（公式3（Eqn.3））和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数（公式3（Eqn.3））和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，k1和k2是常数，其取决于淬火条件。
对于铸造铝合金：
c1从约2000到约13,000 W/（m2Kc2）变化，或者从约3500到约11,000 W/（m2Kc2）变化；
c2从约1.3到约1.9变化，或者从约1.4到约1.6变化；
从1.5E+06到3E+06 W/m2变化，或者从1.5E+06到2.25E+06 W/m2变化；
k1从5E+09到9E+09 W/（m2Kk2）变化，或者从6E+09到7E+09 W/（m2Kk2）变化；和
k2从约-1.5到约-2.0变化，或者从约-1.6到约-1.7变化。
应注意临界点函数设计成平滑地桥接泡核沸腾曲和过渡沸腾曲线。尽管公式（3）所示的临界点函数看上去是最佳选择，但是如果需要的话，可使用临界点函数的替代函数。下面给出了若干替代临界点函数的例子。
（T1 ≤ Tmetal≤ T2）  （6）
其中ΔT是热铸造铝部件和温水之间的温差（°K）；
a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件。
） （T1 ≤ Tmetal≤ T2）  （7）
其中=0.75，公式（7）能够被简化为：
）   （T1 ≤ Tmetal≤ T2）  （8）
                （9）
如果使用替代临界点函数的一个，那么T1和T2将分别为临界点函数（公式6-9）和公式4和5的交点处的温度。
如上所述，膜状沸腾和泡核沸腾之间的过渡沸腾能够以两个“形状”函数表示，如公式3-5和6-9所示。使用“形状”公式中的优化常数，计算淬火期间温度对时间分布与冷却曲线的实验测量非常好的吻合，如图7-12所示。
这些公式能够在任意现有商售计算流体动力学（CFD）代码中应用以提供对水淬火期间热传递的更精确估算。它们还可用于任意有限元方法，有限差方法，流体体积法或其他方法，从而为铸件中的所有节点提供解决方案。该应用包括在固体-流体界面处对流（单相）和沸腾热通量的叠加。
在淬入搅动水的热铝铸件的计算流体动力学（CFD）分析中，铝铸件的流系统和淬火水分解成适当量的有限体积或面积，称作单元，并且用于表示每个单元的连续性，动量和能量公式的表达被解出。将系统区域分解成有限体积或面积的工艺称作网格生成。在网格中单元的数量根据所需精度的级别，系统和使用的模型的复杂性而变化。用于解水流（x，y和z速度），能量交换（热通量和温度），相变（蒸气泡）和压力的公式基于各种简化和/或假设而变化。
在淬火期间水流（在x，y和z方向上）可使用偏微分方程式（PDE’s）为运动公式（公式10）和连续性公式（公式11）建模。
           （10）
             （11）
其中ν是速度矢量；ρ是密度；g是重力加速度矢量；t是时间。
这些PDE’s包含源项（和），其考虑了速度和铝铸件和搅动水之间的质量交换。用于运动公式的PDE典型地扩展成2个或3个PDE’s，每个PDE计算特定空间速度场。每个运动公式包含粘应力项（τ），其基于流体属性（粘度）和条件（层流/湍流）而解出。每个运动公式包含压力项，其需要解出压力场。压力典型地联结到运动公式和连续性公式。
瞬时沸腾流分布可使用层流（膜状沸腾）和湍流（泡核沸腾）流二者的欧拉（Eulerian）框架解出。欧拉框架解出了假定流体连续性的变量（速度）。液（水）相占主导并且被描述为连续的而蒸气泡被描述为分散相。由于蒸气的较低密度，其可假定在泡核沸腾流中，分散的气相的运行随着连续液相的波动。因此湍流应力仅为液相建模。
在本发明的一个实施例中，湍流沸腾流可使用具有考虑额外泡诱发湍流的修改的k-ε模型建模，该额外泡诱发湍流由大泡之后的波动尾流（wakes）以及在水淬火期间不同位置处的泡相互作用的影响而产生。
        （12）
   （13）
其中P l 是由于液体（水）剪应力的湍流产物，k l 是液体（水）湍流动能；μ l 是液体（水）的总动态粘度，其取决于气相体积分数（1-α l ），ρ l 是液体（水）的密度，γ和β是位置相关系数。对应于泡诱发湍流的两个额外源项为：
         （14）
              （15）
其中是界面阻力，t c 是泡诱发湍流的特征时间，
              （16）
其中d b 是泡直径，ε l 是液体（水）湍流动能的耗散速度。
在如图13所示的一个实施例中，系统20例如可预测淬火期间铝铸件的瞬时热传递和温度分布。系统20包括信息输入部25，信息输出部30，处理单元35和计算机可读介质40。信息输入部配置成接收信息，该信息与铝铸件相关，而信息输出部配置成传送信息，该信息与由所述系统预测的所述铝铸件（淬火期间或淬火之后）的瞬时热传递和温度分布相关。计算机可读介质40包括编入其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码包括流体流模拟模块45，修改的湍流沸腾流模块50和热传递模块55。此外，计算机可读介质可包括数字淬火分析模型60，其包括淬火槽或淬火容器几何模型和淬火边界条件。其还能够包括铸件几何模型65，其包括被淬火的铸件的几何形状信息。能够具有材料物理性质模块70，其包括材料物理性质的信息，包括但不限于密度，热导率，粘度等。数字淬火分析模型60，铸件几何模型65和材料物理性质模块70提供信息到流体流模拟模块45，湍流沸腾流模块50和热传递模块55。处理单元35与计算机可读介质40连通并且处理计算机可读介质40的计算和其他数据，从而预测淬火期间铝铸件的瞬时热传递和温度分布。
另外，注意，本文中以特定方式“构造”或含有特定特性、或以特定方式运行的实施例的部件的描述是与预计应用描述相对的结构性描述。更具体地，本文部件“构造”方式的引用表示部件的现有物理状态，同样，也视为部件结构性参数的明确描述。
注意，在本文使用时，术语如“通常”、“一般”和“典型地”不是用于所限所要求实施例的范围或暗示某些特征是关键的、基本的，或者甚至对所要求实施例的功能或结构是重要的。相反，这些术语仅仅是意欲表明实施例的特定方面或强调在特定实施例中可使用或可不使用的可选或额外特征。
本文对于描述和限定实施例的目的，注意，术语“基本上”、“显著地”和“大致”这里用于表示可用于任意定量比较、值、测量或其它表示的不确定性的固有程度。术语“基本上”、“显著地”和“大致”这里还用于表示可从所述基准变化而不导致主题基本功能变化的定量表示的程度。
已经详细描述了本发明的实施例，参考其具体实施例，在不脱离所述权利要求中限定的实施范围的情况下可清楚修改和变形是可能的。更具体地，虽然表明本发明实施例的某些方面是优选的或特别有利的，但是可预计到，本发明的实施例不必限于这些优选方面。

Claims (14)

1.一种用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，包括：
当零件的温度大于500℃时，使用下列公式（1）估算所述铝零件的热传递：
            （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式（4）估算所述铝零件的热传递：
                  （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式（3）、（6）-（8）选择的一个临界点函数公式估算所述铝零件的热传递：
          （3），
     （6），
）        （7），或
）        （8）；
当零件的温度小于T1时，使用下列公式（5）估算所述铝零件的热传递：
           （5）；
其中：
α是传热系数值；
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度； 
；和
c1，c2，，，φ，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临界点函数公式为：
       （3）。
3.一种用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的系统，所述系统包括：
当零件的温度大于500℃时，使用下列公式（1）估算所述铝零件的热传递的装置：
            （1）；
当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式（4）估算所述铝零件的热传递的装置：
                  （4）；
当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式（3）、（6）-（8）选择的一个临界点函数公式估算所述铝零件的热传递的装置：
          （3），
     （6），
）        （7），或
）        （8）；以及
当零件的温度小于T1时，使用下列公式（5）估算所述铝零件的热传递的装置：
           （5）；
其中：
α是传热系数值；
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述零件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述零件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，φ，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述临界点函数公式为：
       （3）。
5.一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的方法，所述方法包括：
提供所述铝铸件，所述铝铸件包括至少一个节点和元件，并且所述铝铸件已经通过淬火工艺淬火；
模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，其中所述虚拟铝铸件包括与节点相关的多个虚拟表面区域的至少一个，以及所述铝铸件的元件，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，所述空间元件分别包括多个节点；
计算相应的虚拟节点和元件的湍流沸腾流；
当铸件的温度大于500℃时，使用下列公式（1）估算所述铝铸件的热传递：
            （1）；
当铸件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式（4）估算所述铝铸件的热传递：
                  （4）；
当铸件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式（3）、（6）-（8）选择的一个临界点函数公式估算所述铝铸件的热传递：
          （3），
     （6），
）        （7），
）        （8）；
当铸件的温度小于T1时，使用下列公式（5）估算所述铝铸件的热传递：
           （5）；
其中：
α是传热系数值；
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述铸件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述铸件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，φ，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件；
计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数；
使用相应的表面节点特定热传递系数和元件特定热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的；
使用所述虚拟节点特定温度和元件特定温度以及热膨胀/热收缩系数预测相应的虚拟节点和元件的热传递或温度分布，或者其二者。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述临界点函数公式为：
       （3）。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，使用下列公式计算所述湍流沸腾流：
    （12）
（13）
其中P l 是由于液体剪应力的湍流产物，k l 是液体湍流动能；是液体的总动态粘度，其取决于气相体积分数（1-α l ），ρ l 是液体的密度，、、、、、和是常数，是的平均值，
    （14）
        （15）
其中是界面阻力，t c 是泡诱发湍流的特征时间，是气体动态粘度的平均值，是常数，
        （16）
其中d b 是泡直径，ε l 是液体湍流动能的耗散速度。
8.一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的系统，所述系统包括：
提供所述铝铸件的装置，所述铝铸件包括至少一个节点和元件，并且所述铝铸件已经通过淬火工艺淬火；
模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火的装置，其中所述虚拟铝铸件包括与节点相关的多个虚拟表面区域的至少一个，以及所述铝铸件的元件，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，所述空间元件分别包括多个节点；
计算相应的虚拟节点和元件的湍流沸腾流的装置；
当铸件的温度大于500℃时，使用下列公式（1）估算所述铝铸件的热传递的装置：
            （1）；
当铸件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式（4）估算所述铝铸件的热传递：
                  （4）；
当铸件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式（3）、（6）-（8）选择的一个临界点函数公式估算所述铝铸件的热传递的装置：
          （3），
     （6），
）        （7），
）        （8）；
当铸件的温度小于T1时，使用下列公式（5）估算所述铝铸件的热传递的装置：
           （5）；
其中：
α是传热系数值；
ΔT是热铸造铝部件和用于使所述铸件淬火的水之间的温差（°K）；
Tmetal是在淬火期间所述铸件的表面温度；
T2是由临界点函数和公式（4）所描述的两条曲线的交点处的温度；
T1是由临界点函数和公式（5）所描述的两条曲线的交点处的温度；
；和
c1，c2，，，φ，k1，k2和a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，和a n 是常数，其取决于淬火条件；
计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数的装置；
使用热传递系数计算至少一个虚拟节点特定温度和元件特定温度的多个的装置，所述虚拟节点特定温度和元件特定温度对于模拟的淬火的时间分别是特定的；以及
使用所述虚拟节点特定温度和元件特定温度以及热膨胀/热收缩系数预测相应的虚拟节点和元件的热传递或温度分布，或者其二者的装置。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述临界点函数公式为：
       （3）。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，使用下列公式计算所述湍流沸腾流：
    （12）
（13）
其中P l 是由于液体剪应力的湍流产物，k l 是液体湍流动能；是液体的总动态粘度，其取决于气相体积分数（1-α l ），ρ l 是液体的密度，、、、、、和是常数，是的平均值，
    （14）
        （15）
其中是界面阻力，t c 是泡诱发湍流的特征时间，是气体动态粘度的平均值，是常数，
        （16）
其中d b 是泡直径，ε l 是液体湍流动能的耗散速度。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所接收的信息包括与所述铝铸件的多个材料属性的至少一个相关的信息。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述材料属性包括密度，热导率和粘度。
13.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述虚拟铝铸件的虚拟表面元件和节点包括所述虚拟铝铸件的至少一个顶表面，至少一个侧表面，和与淬火方向相关的所述虚拟铝铸件的至少一个底表面。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，虚拟表面分别包括多个空间元件，其分别由长度（x），宽度（y）和深度（z）限定。 
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