CN108363857A - 蓄热式加热炉流场及工件内部温度、热应力分析方法 - Google Patents

Abstract

蓄热式加热炉流场及工件内部温度、热应力分析方法，其特征在于：方法具体内容包括如下步骤：a)建立蓄热式加热炉几何模型，b)划分网格，c)选择数值模拟计算模型，d)确定入口边界条件，设定模型入口条件为速度入口条件，e)设定出口与壁面边界条件，f)分别计算加热炉在换向过程中两侧烧嘴各自燃烧的温度场，g)建立所述炉内处理工件模型；h)选取热‑结构分析单元，对所述炉内处理工件模型进行网格划分,i)输入所述炉内处理工件的热物性参数，j)将加热炉内温度场分布为基础与边界条件，对所述炉内处理工件进行计算分析。本发明建模过程简单，结果更加准确。可根据加热炉以及工件不同进行模型参数调整，适应广泛。

Description

蓄热式加热炉流场及工件内部温度、热应力分析方法

技术领域

本发明涉及热处理领域，特别涉及一种基于FLUENT和ANSYS仿真平台的蓄热式加热炉流场及内部工件温度、热应力分析方法。

背景技术

目前许多工件在进行形变处理前需要一个加热过程，而该加热过程作为整个生产工艺中重要的热处理环节对工件的热塑性、晶粒质量等有着至关重要的影响。其中蓄热式加热炉采用单蓄热式燃烧加热的加热方式，采用独立设置的蓄热室或蓄热式烧嘴，可将空气或煤气进行加热，采用蓄热式高温空气燃烧技术，通过气体燃料或助燃空气与烟气交替通过蓄热体的方式，实现极限余热回收和气体燃料与助燃空气的高温余热并组织燃烧。

为了了解工件在加热炉内的加热情况就必须了解钢坯所处的热环境，也就是说必须了解加热炉内部的温度场、流场、压力场。加热炉内是一个高度耦合的场，在其中气体流动、气体燃烧和辐射换热相互耦合，因此对加热炉内部的热过程的求解十分复杂。传统研究加热炉内热过程的方法称为实验法，即通过气体物质分析仪、热电偶、燃烧物质分析仪等获得加热炉内部温度场、气体分布情况、炉压分布情况、以及炉内加热钢坯的温升情况等，在此基础上进行更深入的分析和处理。但是，传统意义上的实验法耗费时间长、资金多，同时针对多种炉况信息的取得是非常困难的，多数情况也是不可能的。

随着近年来加热炉数值模拟技术得到了飞速的发展，通过在加热炉热工过程的研究中引进数值模拟技术，可以有效的减少实验研究所消耗的时间和费用，并且数值模拟技术的引入能够更加准备的计算出加热炉内的温度场、流场、及污染物的详细分布。而目前多数学者只是动态分析一个换向过程中或冷态条件下蓄热式加热炉内的热过程，或者模拟只有一根管坯处于加热的热过程仿真分析，并没有考虑加热炉在实际生产中多根管坯同时加热时动态连续换向后的热过程，也就没有研究蓄热式加热炉的数值仿真动态分析计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态分析蓄热式加热炉内流场、温度场以及被处理工件温度场、应力分布的一种基于FLUENT和ANSYS仿真平台的蓄热式加热炉流场及内部工件温度、热应力分析方法。

一种基于FLUENT仿真平台的蓄热式加热炉流场及内部工件温度、热应力分析方法，该方法具体内容包括如下步骤：

a)建立蓄热式加热炉几何模型，包括蓄热式加热炉左右两侧烧嘴，加热炉主体模型、炉内处理工件模型、工件支撑物模型；

b)划分网格，采取结构化网格划分与非结构化网格划分结合方式，对所述炉内处理工件周围、烧嘴等关键部位进行网格细化处理，结构性网格使用Gambit中Map法进行划分，非结构网格利用TGfid法进行划分；

c)选择数值模拟计算模型，针对所研究的加热炉指定相适应的计算模型，包括湍流计算模型、燃烧计算模型、辐射计算模型，模型的求解方法选择修正的压力—速度耦合SIMPLEC算法，并且设置湍流模型计算10次耦合一次辐射计算，压力方程、湍动能方程以及动量方程都采用二阶迎风格式离散；

d)确定入口边界条件，设定模型入口条件为速度入口条件，包括空气流入空气烧嘴前速度、煤气进入烧嘴前速度，考虑蓄热作用设定空气预热温度、煤气温度、设定炉内温度初始值，模拟加热炉一段流场，采用所用介质模型与入口边界条件单独计算空气入口与煤气入口的流场情况，得到两烧嘴出口的速度分布情况，然后将模拟计算得到的两烧嘴出口的速度矢量以轮廓文件Profile的形式提取，得到等效炉膛数值模拟入口边界条件；

e)设定出口与壁面边界条件，根据蓄热式加热炉原理，分别对主副烟道进行出口边界条件设定，包括出口压力、回流温度、湍流强度、水力直径，加热炉壁面边界条件设定包括炉顶壁面边界条件、炉墙壁面边界条件、管坯表面边界条件；

f)分别计算加热炉在换向过程中两侧烧嘴各自燃烧的温度场，计算收敛后，将两次计算的平均值近似替代实际存在动态换向过程的蓄热式加热炉内部真实温度，若时间t＝t总，则得出工件周围温度分布及升温曲线，作为工件分析载荷，否则令t＝t+Δt，并更新温度继续计算；

g)建立所述炉内处理工件模型；

h)选取热-结构分析单元，对所述炉内处理工件模型进行网格划分；

i)输入所述炉内处理工件的热物性参数，包括热传导系数、比热容、热扩散系数；

j)将加热炉内温度场分布为基础与边界条件，对所述炉内处理工件进行计算分析。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种用于蓄热式加热炉流场及内部工件温度、热应力仿真分析方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明从模拟蓄热式加热炉的实际生产中管坯加热情况入手，进行动态分析研究加热炉内以及管坯的热过程变化，建模过程简单，结果更加准确。

可根据加热炉以及工件不同进行模型参数调整，适应广泛。

附图说明

图1是本发明的计算流程图；

图2是本发明一个所选实施例蓄热式加热炉模型图；

图3是本发明一个所选实例有限元模型网格划分图；

图4是本发明一个所选实例加热炉流场模拟图；

图5是本发明一个所选实例加热炉右喷嘴燃烧温度模拟图；

图6是本发明一个所选实例加热炉左喷嘴燃烧温度模拟图；

图7是本发明一个所选实施例的炉内升温曲线图；

图8是本发明一个所选实例加热炉内工件网格划分图；

图9是本发明一个所选实例加热炉内工件热应力模拟图；

图10是本发明一个所选实例加热炉内工件温度模拟图。

具体实施方式

图1所示发明过程图，具体实施例如下：

步骤a)根据现场实测尺寸使用三维软件SolidWorks建立包含加热炉主体、空气烧嘴、煤气烧嘴、工件、工件支撑物的几何模型如图2所示；

步骤b)划分网格，采取结构化网格划分与非结构化网格划分结合方式，对所述炉内处理工件周围、烧嘴等关键部位进行网格细化处理，结构性网格使用Gambit中Map法进行划分，非结构网格利用TGfid法进行划分，最终得到的模型网格数量为4648860个；

步骤c)选取数值模拟计算模型，其中湍流计算模型选取k-ε模型，燃烧计算模型采用Species-Transport燃烧模型，并且采用Volumetric容积反应，化学反应源项采用InletDiffusion与Diffusion Energy Source模型；辐射计算模型选择P-1辐射模型；模型的求解方法选择修正的压力—速度耦合SIMPLEC算法，并且设置湍流模型计算10次耦合一次辐射计算。压力方程、湍动能方程以及动量方程都采用二阶迎风格式离散。

步骤d)确定入口边界条件，根据现场数据，设定模型的入口条件为速度入口条件，空气流进入空气烧嘴前的速度为8m/s，煤气进入烧嘴前速度为5m/s，由于蓄热体的预热作用，设定空气预热温度为1000℃，煤气温度为130℃，炉内温度初始设定为700℃，模拟加热炉一段流场，采用多孔介质模型与入口边界条件单独计算空气入口与煤气入口的流场情况，得到两烧嘴出口的速度分布情况，将模拟计算得到的两烧嘴出口的速度矢量以轮廓文件Profile的形式提取，得到等效入口边界条件；

步骤e)设定出口与壁面边界条件，其中主烟道出口边界条件包含出口压力-20pa，回流温度1000℃，水力直径127mm，湍流强度7％，副烟道出口边界条件包含出口压力-25pa，回流温度600℃，水力直径700mm，湍流强度7％；炉顶设置为无滑移边界条件，炉顶设为为温度条件，温度值随炉内温度变化，湍流近壁区域采用壁面函数法，炉墙同样采用无滑移边界条件，设定为热流密度条件，壁面黑度设定为0.8，由于管坯在炉内吸热，故设定管坯为耦合壁面热流条件；

步骤f)根据步骤c)d)e)设置的模型与条件，利用Fluent软件计算加热炉整体流场与温度场，所得到加热炉流场模拟图如图4所示，右喷嘴燃烧温度模拟图如图5所示，左喷嘴燃烧温度模拟图如图6所示，炉内升温曲线如图7所示；

步骤g)根据实际管坯测量尺寸使用三维软件SolidWorks建立炉内处理工件模型，本实施例选取钢管进行模拟分析，根据实际尺寸建立1/4模型；

步骤h)选取热-结构单元solid5，对步骤g)中所建立模型全部采用六面体网格划分，网格最大长度为10mm，同时设定管坯1/4模型的两个纵向截面为对称面，划分结果如图8所示；

步骤i)输入炉内工件的热物性参数，本实施例采用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢，输入其热物性参数；

步骤j)根据步骤h)划分的网格与步骤i)设置的热物性参数对钢管坯进行模拟计算，得到钢管热应力模拟图如图9所示，钢管温度模拟图如图10所示。

Claims (1)

1.蓄热式加热炉流场及工件内部温度、热应力分析方法，其特征在于：方法具体内容包括如下步骤：

a)建立蓄热式加热炉几何模型，包括蓄热式加热炉左右两侧烧嘴，加热炉主体模型、炉内处理工件模型、工件支撑物模型；

b)划分网格，采取结构化网格划分与非结构化网格划分结合方式，对所述炉内处理工件周围、烧嘴等关键部位进行网格细化处理，结构性网格使用Gambit中Map法进行划分，非结构网格利用TGfid法进行划分；

c)选择数值模拟计算模型，针对所研究的加热炉指定相适应的计算模型，包括湍流计算模型、燃烧计算模型、辐射计算模型，模型的求解方法选择修正的压力—速度耦合SIMPLEC算法，并且设置湍流模型计算10次耦合一次辐射计算，压力方程、湍动能方程以及动量方程都采用二阶迎风格式离散；

d)确定入口边界条件，设定模型入口条件为速度入口条件，包括空气流入空气烧嘴前速度、煤气进入烧嘴前速度，考虑蓄热作用设定空气预热温度、煤气温度、设定炉内温度初始值，模拟加热炉一段流场，采用所用介质模型与入口边界条件单独计算空气入口与煤气入口的流场情况，得到两烧嘴出口的速度分布情况，然后将模拟计算得到的两烧嘴出口的速度矢量以轮廓文件Profile的形式提取，得到等效炉膛数值模拟入口边界条件；

e)设定出口与壁面边界条件，根据蓄热式加热炉原理，分别对主副烟道进行出口边界条件设定，包括出口压力、回流温度、湍流强度、水力直径，加热炉壁面边界条件设定包括炉顶壁面边界条件、炉墙壁面边界条件、管坯表面边界条件；

f)分别计算加热炉在换向过程中两侧烧嘴各自燃烧的温度场，计算收敛后，将两次计算的平均值近似替代实际存在动态换向过程的蓄热式加热炉内部真实温度，若时间t＝t总，则得出工件周围温度分布及升温曲线，作为工件分析载荷，否则令t＝t+Δt，并更新温度继续计算；

g)建立所述炉内处理工件模型；

h)选取热-结构分析单元，对所述炉内处理工件模型进行网格划分；

i)输入所述炉内处理工件的热物性参数，包括热传导系数、比热容、热扩散系数；

j)将加热炉内温度场分布为基础与边界条件，对所述炉内处理工件进行计算分析。