CN104502403A - 一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法 - Google Patents
一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,属于金属热加工工艺参数设计领域。本发明包括以下步骤:采用钢轨为淬火构件,实验测试出钢轨内部点的冷却曲线;基于有限元软件ABAQUS平台利用其脚本语言Python建立钢轨的有限元模型,迭代计算温度场,算出钢轨表面综合换热系数,将钢轨内部的实测温度与计算值进行对比验证,确保求解的准确性。本发明用于计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,属于金属热加工工艺参数设计领域。
背景技术
换热系数是钢轨喷雾冷却工艺中的重要参数,它直接影响着钢轨温度变化快慢和组织变化情况。喷雾过程中影响换热系数的因素比较多,不能直接被测量出来,需要利用反传热学理论才能计算出来。寻求精确的方法获取钢轨喷雾过程表面综合换热系数具有重要的工程实际意义。近年来,人们对构件表面换热系数的计算方法做了很多研究,但主要是研究形状规则的圆柱、圆筒或方形板等构件,并且是按一维问题来研究的。而对于像钢轨这样具有异形截面的构件,其表面综合换热系数的研究却很少。
发明内容
本发明的目的是在于利用反传热学理论和有限元软件准确地计算出钢轨喷雾过程中的表面综合换热系数。
本发明是通过下述方案予以实现的:
结合有限元软件ABAQUS和其脚本语言python计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数,具体过程为:
步骤1,在待测钢轨的对称面上距离钢轨上表面5-11mm处1#钻孔,钻孔内放置热电偶,将带有热电偶的钢轨在加热炉中加热到900-980℃保温均匀后,以不超过60s的时间迅速转移到喷雾装置中,轨头喷嘴距钢轨上表面距离S1为0-300mm处,水流量为0-1.800 m3/h,气压为0-0.40Mpa,水雾温度设定20-25℃,喷雾150-300s,热电偶将测得钢轨内部特征点温度通过ADAM采集卡发送到计算机,并绘制冷却曲线,即得到钢轨1#处的冷却曲线;
步骤2,把上述钢轨1#点处的冷却曲线按时间t分成时间步,以便计算每步的综合换热系数;
步骤3,基于ABAQUS有限元平台,建立钢轨的几何模型,赋给钢轨的导热系数、膨胀系数、定压比热密度为7800kg/m3,发生潜热的固态温度为570℃,液态温度为620℃,相变潜热为78200J,设定初始温度900-980℃,设定水雾的温度为20-25℃,创建三个时间步,第一时间步的时间最初t,然后每计算出一个综合换热系数,第一时间步的时间就增加t,第二、第三时间步的时间均为t,以1-5mm的尺寸大小划分单元格,设定钢轨截面的周边上的综合换热系数为h;
步骤4,给第一个时间步长时温度所对应的综合换热系数h一个初始值h1,带入钢轨计算模型,算出在第一个时间步长时1#点的计算温度值T1;
步骤5,增加综合换热系数h为h2= h1+50,再代入钢轨计算模型,算出在第一个时间步长时1#点处的计算温度值T2,判断计算温度值T2与实验值T0之差的绝对值是否小于或等于0-1℃,如果小于或等于0-1℃,则认为该温度所对应的综合换热系数为h2;
步骤6,若大于0-1℃,根据温度随着综合换热系数变化的比例 (h2-h1)/(T2-
T1) ,修改综合换热系数h为h3= h1+(h2-h1)(T0-
T1)/(T2- T1),再代入钢轨计算模型,算出第一个时间步长时1#点处的计算温度值T3,判断计算温度值T3与实验温度值T0之差的绝对值是否小于或等于0-1℃,如果小于或等于0-1℃,则认为该温度所对应的综合换热系数为h3;
步骤7,若大于0-1℃,就按照步骤6迭代,直到温度误差达到允许范围,此时的综合换热系数hn为钢轨在该温度时所对应的表面的综合换热系数;
步骤8,把前N个时间步算出来的综合换热系数均代入钢轨计算模型,并从初始温度开始,按照步骤3~步骤7相同的计算方法,计算出第N+1时间步时钢轨的表面综合换热系数;
步骤9,以此类推,最终计算出在该喷雾条件下钢轨的表面综合换热系数随温度的变化曲线;
步骤10,把钢轨综合换热系数随温度变化曲线代入钢轨计算模型,计算钢轨喷雾冷却过程,求出温度场,并与实验值对比。
进一步:步骤3的导热系数为(导热系数/W∙m-1∙℃,温度/℃)=((41.59,
20.0), (39.71, 100.0), (37.48, 200.0), (34.95, 300.0), (32.32, 400.0), (30.0,
500.0), (28.96, 600.0), (28.08, 650.0), (34.81, 720.0), (23.38, 750.0), (25.68,
850.0), (26.92, 950.0)),膨胀系数为(膨胀系数/10-5,温度/℃)=((1.53, 20.0),
(1.575, 100.0), (1.59, 200.0), (1.625, 300.0), (1.65, 400.0), (1.675, 500.0),
(1.625, 550.0), (1.68, 600.0), (2.03, 620.0), (2.15, 650.0), (2.1, 700.0),
(2.151, 720.0), (2.14, 750.0), (2.038, 800.0), (2.145, 850.0), (1.875, 900.0),
(1.85, 950.0)),定压比热为(比热/J∙kg-1∙℃-1,温度/℃)= ((473.0, 20.0), (482.0, 100.0), (498.0, 200.0), (513.0,
300.0), (529.0, 400.0), (599.0, 500.0), (635.0, 600.0), (756.0, 650.0),
(1080.0, 720.0), (577.0, 750.0), (624.0, 850.0), (720.0, 950.0)),密度为7800kg/m3,发生潜热的固态温度为570℃,液态温度为620℃,相变潜热为78200J,以1-5mm的尺寸大小划分单元格,初始温度为900-980℃,水雾温度设定为20-25℃。
进一步:步骤1中的淬火构件是钢轨,淬火介质是水雾,喷雾时间为150s-200s。
进一步: 步骤1中的热电偶的直径为8mm,探头长度为2m,其位置为在钢轨对称面上距离钢轨上表面5-11mm处。
进一步:步骤2中冷却曲线时间t为1-10s。
进一步:步骤1中的轨头处喷嘴距钢轨上表面距离为0-400mm。
进一步:步骤1中的淬火介质为水雾时,水雾由流量为0-1.800 m3/h的水和气压为0-0.30MPa的空气雾化得到。
进一步:步骤1中的喷雾装置主要由喷嘴构成,喷嘴有两个进口,一个进口进带压的气体,另一个进口进带压的水,喷嘴安装喷水管上,喷水管与升降杆一端固定连接,升降杆另一端穿过壳体通过丝杠与电机连接,喷嘴通过水路管道连接进水箱,喷嘴分别置于钢轨对称轴中心线上方、下方及轨腰两侧。
比较现有的计算表面综合换热系数的方法,本发明具有以下优点:
1,运用了实验与模拟计算相结合的方法,得到了比较符合实际的钢轨喷雾冷却过程的表面综合换热系数;
2,在有限元软ABAQUS的基础上,进行了二次开发,既保证了计算的准确性又使迭代计算连续完成,为计算综合换热系数提供方便;
3,该方法不仅可以计算钢轨表面综合换热系数,还可以计算其它型钢的表面综合换热系数。
附图说明
图1是热电偶和喷嘴位置结构示意图;
图2是钢轨喷雾过程1#测点处的冷却曲线图;
图3是每步的综合换热系数计算流程图;
图4是钢轨表面综合换热系数随温度变化曲线图;
图5是钢轨1#点处温度随时间变化的计算值与实验值对比图。
具体实施方式
结合图1至图5说明本实施方式,具体过程为:
步骤1,待测钢轨1是淬火构件,淬火介质是水雾。在待测钢轨1的对称面上距离钢轨1上表面10mm处1#钻孔,钻孔内放置热电偶2,热电偶的直径为8mm,探头长度为2m,将带有热电偶2的钢轨1在加热炉中加热到923.1℃保温均匀后,以45s的时间迅速转移到喷雾装置中,喷雾装置主要由喷嘴3构成,喷嘴3有两个进口,一个进口进带压的气体4,另一个进口进带压的水5,喷嘴3安装喷水管上,喷水管与升降杆一端固定连接,升降杆另一端穿过壳体通过丝杠与电机连接,喷嘴3通过水路管道连接进水箱,喷嘴3分别置于钢轨对称轴中心线上方、下方及轨腰两侧。
本发明轨头处喷嘴3距钢轨1上表面距离S1为200mm处,水流量为1.200 m3/h,气压为0.21MPa,水雾由流量为1.200 m3/h的水和气压为0.21MPa的空气雾化得到。如图1所示,水雾温度设定20℃,喷雾200s,喷雾时间为200s,热电偶2将测得钢轨1内部特征点温度通过ADAM采集卡发送到计算机,并绘制冷却曲线,即得到钢轨1 中1#处的冷却曲线,如图2所示,钢轨1 中1#处的温度随时间变化见表1;
步骤2,把上述钢轨1#点处的冷却曲线按5s分成时间步,以便计算每步的综合换热系数;
步骤3,基于ABAQUS有限元平台,建立钢轨1的几何模型,赋给钢轨1的导热系数为(导热系数/W∙m-1∙℃,温度/℃)=((41.59, 20.0),
(39.71, 100.0), (37.48, 200.0), (34.95, 300.0), (32.32, 400.0), (30.0, 500.0),
(28.96, 600.0), (28.08, 650.0), (34.81, 720.0), (23.38, 750.0), (25.68, 850.0),
(26.92, 950.0)),膨胀系数为(膨胀系数/10-5,温度/℃)=((1.53, 20.0),
(1.575, 100.0), (1.59, 200.0), (1.625, 300.0), (1.65, 400.0), (1.675, 500.0),
(1.625, 550.0), (1.68, 600.0), (2.03, 620.0), (2.15, 650.0), (2.1, 700.0),
(2.151, 720.0), (2.14, 750.0), (2.038, 800.0), (2.145, 850.0), (1.875, 900.0),
(1.85, 950.0)),定压比热为(比热/J∙kg-1∙℃-1,温度/℃)= ((473.0, 20.0), (482.0, 100.0), (498.0, 200.0), (513.0,
300.0), (529.0, 400.0), (599.0, 500.0), (635.0, 600.0), (756.0, 650.0),
(1080.0, 720.0), (577.0, 750.0), (624.0, 850.0), (720.0, 950.0)),密度为7800kg/m3,发生潜热的固态温度为570℃,液态温度为620℃,相变潜热为78200J,设定初始温度923.1℃,设定水雾的温度为20℃,创建三个时间步,第一时间步的时间最初5s,然后每计算出一个综合换热系数,第一时间步的时间就增加5s,第二、第三时间步的时间均为5s,以5mm的尺寸大小划分单元格,设定钢轨截面的周边上的综合换热系数为h。
步骤4,给第一个时间步长时温度所对应的综合换热系数h一个初始值h1=100 W∙m-2∙℃-1,带入钢轨1计算模型,算出在第一个时间步长时1#点的计算温度值T1=921.373℃。
步骤5,增加综合换热系数值到h2= h1+50=150
W∙m-2∙℃-1,再代入钢轨1计算模型,算出在第一个时间步长时1#点处的计算温度值T2=920.517℃,判断计算温度值T2与实验值T0=917.3℃之差的绝对值是是否小于或等于0.5℃。
步骤6,温度值T2与实验值T0=917.3℃之差的绝对值4.217℃大于0.5℃,根据温度随着综合换热系数变化的比例 (h2-h1)/(T2-
T1) =238 W∙m-2∙℃-1,修改综合换热系数为h3= h1+(h2-h1)(T0-
T1)/(T2- T1)=338 W∙m-2∙℃-1,再代入钢轨1计算模型,算出第一个时间步长时1#点处的计算温度值T3=917.335℃。判断计算温度值T3与实验温度值T0
=917.3℃之差的绝对值是否小于或等于0.5℃。T3-T0的绝对值为0.035小于0.5℃,则认为该温度所对应的综合换热系数为h3=338W∙m-2∙℃-1。
步骤7,若大于0.5℃,就按照步骤6迭代,直到温度误差达到允许范围,此时的综合换热系数hn为钢轨1在该温度时所对应的表面的综合换热系数;
步骤8,把前N个时间步算出来的综合换热系数均代入钢轨1计算模型,并从初始温度开始,按照步骤3~步骤7相同的计算方法,计算出第N+1时间步时钢轨的表面综合换热系数;
步骤9,以此类推,最终计算出在该喷雾条件下钢轨1的表面综合换热系数随温度的变化曲线,如图4所示,表面综合换热系数随温度变化值见表2。
步骤10,把图4中的综合换热系数随温度变化曲线代入钢轨1计算模型,计算钢轨1喷雾冷却过程,求出温度场,并与实验值对比,如图5所示,计算出的钢轨1 中1#处的温度随时间变化见表3。
表1为钢轨1 中1#处的温度随时间变化表:
表2 上为表面综合换热系数随温度变化值表
表3 为计算出的钢轨1 中1#处的温度随时间变化表
Claims (8)
1.一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于:所述计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的具体过程为:
步骤1,在待测钢轨(1)的对称面上距离钢轨上表面5-11mm处1#钻孔,钻孔内放置热电偶(2),将带有热电偶(2)的钢轨(1)在加热炉中加热到900-980℃保温均匀后,以不超过60s的时间迅速转移到喷雾装置中,轨头喷嘴距钢轨上表面距离S1为0-300mm处,水流量为0-1.800 m3/h,气压为0-0.40Mpa,水雾温度设定20-25℃,喷雾150-300s,热电偶(2)将测得钢轨(1)内部特征点温度通过ADAM采集卡发送到计算机,并绘制冷却曲线,即得到钢轨(1)1#处的冷却曲线;
步骤2,把上述钢轨(1)1#点处的冷却曲线按时间t分成时间步,以便计算每步的综合换热系数;
步骤3,基于ABAQUS有限元平台,建立钢轨(1)的几何模型,赋给钢轨(1)的导热系数、膨胀系数、定压比热密度为7800kg/m3,发生潜热的固态温度为570℃,液态温度为620℃,相变潜热为78200J,设定初始温度900-980℃,设定水雾的温度为20-25℃,创建三个时间步,第一时间步的时间最初t,然后每计算出一个综合换热系数,第一时间步的时间就增加t,第二、第三时间步的时间均为t,以1-5mm的尺寸大小划分单元格,设定钢轨(1)截面的周边上的综合换热系数为h;
步骤4,给第一个时间步长时温度所对应的综合换热系数h一个初始值h1,带入钢轨(1)计算模型,算出在第一个时间步长时1#点的计算温度值T1;
步骤5,增加综合换热系数h为h2= h1+50,再代入钢轨(1)计算模型,算出在第一个时间步长时1#点处的计算温度值T2,判断计算温度值T2与实验值T0之差的绝对值是否小于或等于0-1℃,如果小于或等于0-1℃,则认为该温度所对应的综合换热系数为h2;
步骤6,若大于0-1℃,根据温度随着综合换热系数变化的比例 (h2-h1)/(T2-
T1) ,修改综合换热系数h为h3= h1+(h2-h1)(T0-
T1)/(T2- T1),再代入钢轨(1)计算模型,算出第一个时间步长时1#点处的计算温度值T3,判断计算温度值T3与实验温度值T0之差的绝对值是否小于或等于0-1℃,如果小于或等于0-1℃,则认为该温度所对应的综合换热系数为h3;
步骤7,若大于0-1℃,就按照步骤6迭代,直到温度误差达到允许范围,此时的综合换热系数hn为钢轨(1)在该温度时所对应的表面的综合换热系数;
步骤8,把前N个时间步算出来的综合换热系数均代入钢轨(1)计算模型,并从初始温度开始,按照步骤3~步骤7相同的计算方法,计算出第N+1时间步时钢轨的表面综合换热系数;
步骤9,以此类推,最终计算出在该喷雾条件下钢轨(1)的表面综合换热系数随温度的变化曲线;
步骤10,把钢轨(1)综合换热系数随温度变化曲线代入钢轨(1)计算模型,计算钢轨(1)喷雾冷却过程,求出温度场,并与实验值对比。
2.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于: 步骤3的导热系数为(导热系数/W∙m-1∙℃,温度/℃)=((41.59, 20.0), (39.71, 100.0), (37.48, 200.0), (34.95, 300.0),
(32.32, 400.0), (30.0, 500.0), (28.96, 600.0), (28.08, 650.0), (34.81, 720.0),
(23.38, 750.0), (25.68, 850.0), (26.92, 950.0)),膨胀系数为(膨胀系数/10-5,温度/℃)=((1.53, 20.0),
(1.575, 100.0), (1.59, 200.0), (1.625, 300.0), (1.65, 400.0), (1.675, 500.0),
(1.625, 550.0), (1.68, 600.0), (2.03, 620.0), (2.15, 650.0), (2.1, 700.0),
(2.151, 720.0), (2.14, 750.0), (2.038, 800.0), (2.145, 850.0), (1.875, 900.0),
(1.85, 950.0)),定压比热为(比热/J∙kg-1∙℃-1,温度/℃)= ((473.0, 20.0), (482.0, 100.0), (498.0, 200.0), (513.0, 300.0),
(529.0, 400.0), (599.0, 500.0), (635.0, 600.0), (756.0, 650.0), (1080.0,
720.0), (577.0, 750.0), (624.0, 850.0), (720.0, 950.0)),密度为7800kg/m3,发生潜热的固态温度为570℃,液态温度为620℃,相变潜热为78200J,以1-5mm的尺寸大小划分单元格,初始温度为900-980℃,水雾温度设定为20-25℃。
3.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于:步骤1中的淬火构件是钢轨(1),淬火介质是水雾,喷雾时间为150s-200s。
4.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于: 步骤1中的热电偶(2)的直径为8mm,探头长度为2m,其位置为在钢轨(1)对称面上距离钢轨(1)上表面5-11mm处。
5.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于:步骤2中冷却曲线时间t为1-10s。
6.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于: 步骤1中的轨头喷嘴距钢轨(1)上表面距离为0-400mm。
7.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于:步骤1中的淬火介质为水雾时,水雾由流量为0-1.800 m3/h的水(4)和气压为0-0.30MPa的空气(5)雾化得到。
8.根据权利要求1所述的一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法,其特征在于:步骤1中的喷雾装置主要由喷嘴(3)构成,喷嘴(3)有两个进口,一个进口进带压的气体(4),另一个进口进带压的水(5),喷嘴(3)安装喷水管上,喷水管与升降杆一端固定连接,升降杆另一端穿过壳体通过丝杠与电机连接,喷嘴(3)通过水路管道连接进水箱,喷嘴(3)分别置于钢轨对称轴中心线上方、下方及轨腰两侧。
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