CN112446177B - 一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法，涉及到碳纤维生产中所用的高温碳化炉设计模拟分析方法技术领域。克服现有技术在高温碳化炉外部保温结构设计方法的不足，包括步骤：(1)、建立高三维仿真模型，并设定相关参数；(2)、进行网格划分；(3)、将三维仿真模型导入ANSYS软件的FLUENT模块，并对FLUENT模块进行设置；(4)、在ANSYS软件中的FLUENT模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉保温层材料隔热性能的指标；(5)、设置不同参数并重复步骤(1)‑(4)，由高温碳化炉保温层温度分布特性云图，以此确定不同保温层的材料与几何尺寸。直观判定高温碳化炉外部保温层的隔热效果，为提高隔热效率，降低设计成本提供理论依据。

Description

一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法

技术领域

本发明涉及到碳纤维生产中所用的高温碳化炉设计模拟分析方法技术领域。

背景技术

碳纤维生产属于高耗能产业，其中的高温碳化炉是碳纤维生产设备中的耗能大户之一，同时，高温碳化炉也是碳纤维生产的关键设备，主要用于对预氧丝进行高温碳化，使其转化为碳元素含量大于90％的碳纤维。高温碳化炉是高温技术和高温设备的集成，使用温度一般在1000℃-1600℃。隔热结构安装在高温碳化炉的发热体外层，用于保持炉内工作温度的稳定，同时减少不必要的热量损失，隔热结构对高温炉碳化炉的高温性能和生产效率都起着至关重要的作用。高温碳化炉隔热结构的主要材料因其较高的价格也是导致制造成本高昂的一个重要因素，因此，在满足使用性能要求的前提下，减少隔热结构的用量，就可以有效地降低高温碳化炉的制造成本，减少项目投资。由此可见，无论是从性能还是经济性的角度出发，隔热结构性能设计是高温碳化炉整体设计的重要环节之一。

现有常规的隔热设计方法多采用工程经验与计算公式结合进行隔热效率的计算，通常的计算结果精度低，保温结构性能不稳定，设计人员会通过增加保温材料的用量以提高隔热效果，这无形中导致了制造成本的增加，并且此方法严重依赖设计者的工程经验，设计工作量大。因此需要选择合理的设计方法，使高温碳化炉外部保温层能达到符合规范的温度，降低保温材料的使用量，提高保温层的隔热效率。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于克服现有技术在高温碳化炉外部保温结构设计方法的不足，而提出一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法。

为解决本发明所提出技术不足，而采用的技术方案为：

一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括有如下步骤：

(1)、采用三维CAD软件SOLIDWORKS软件建立高温碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型，并设定相关参数；

(2)、将三维仿真模型进行网格划分；将步骤(1)建立的碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型传递到ICEM软件的Blocking模块中，在Blocking模块中采用O-Block方式对三维仿真模型进行网格划分,网格划分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子为默认值1.2，根据软件中网格质量的判断标准，同时保证整体结构的网格质量大于0.9，同时为了便于后期设置计算条件，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括保温层，加热管壁面，炉腔壁面；

(3)、将网格划分好的三维仿真模型导入ANSYS软件的FLUENT模块，并对FLUENT模块进行设置；

(4)、在ANSYS软件中的FLUENT模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉保温层材料隔热性能的指标；

(5)、在相同设置条件下，通过将三维仿真模型设置不同参数并重复步骤(1)-(4)，以进行多次模拟计算，由高温碳化炉保温层温度分布特性云图，以此确定不同保温层的材料与几何尺寸。

作为对本发明技术方案作进一步限定的技术方案包括有：

步骤(1)中设定的相关参数包括：保温层几何形状和几何尺寸，内部炉腔几何形状和几何尺寸，以及石墨加热管几何形状和几何尺寸。

步骤(4)中，对ANSYS软件中的FLUENT进行设置的过程如下：

(4.1)、在User Defined选项导入根据设备运行工艺参数编制的自定义温度参数；

(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为Transient瞬态传热；

(4.3)、将Models选项中的Energy勾选Energy Equation，Viscous Models选项中选取laminar模型，为了判断炉腔内气流运动状态，引入雷诺数进行描述，雷诺数的计算公式为：

其中，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度。通过雷诺数的计算，进而选择湍流模型为laminar模型；

(4.4)、将Models选项中的Radiation Model勾选Surface to Surface,并在ViewFactor and Clustering选项点击Compute/Write/Read进行保存；

(4.5)、在Materials Fluid选项部分选择氧气和氮气，在Materials Solid选项部分新建保温材料，材料的属性主要有密度、比热容、导热系数，然后分别选择每种新建的保温材料；

(4.6)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氮气，Fluid3部分设为空气；将Solid1部分设为第一种保温材料，Solid2部分设为第二种保温材料，Solid3部分设为第三种保温材料；

(4.7)、在Boundary Conditions选项中设置保温材料之间的传热方式为Coupled，加热管表面设置为UDF定义每小时内管壁温度值，炉腔内气体与保温材料、加热管之间传热方式为Coupled；

(4.8)、选择Check case后进行计算。

步骤(4.8)中选择Check case后进行计算基础的高温碳化炉传热计算的三维数学模型，包含的三维连续性方程、动量方程、能量方程分别如公式(1)、(2)、(3)所示：

式中，ρ-流体密度；t-时间；V-速度矢量，其中u、v、w为V在x、y及z三个方向上的分量。

动量方程的Navier-Stokes方程：

其中，μ是动力黏度，F_b是微元上的体积力；

能量守恒方程：

其中，h为炉内气体的比焓；λ为炉内气体的导热系数；gradT为气体传热面法向温度梯度；S_h为气体内部的热源；Φ为气体的耗散函数；

热传导问题的控制方程可以根据Fourier传热定律和能量守恒方程来建立，对固体而言，其瞬态温度场T(x,y,z,t)满足以下方程:

其中，ρ代表材料密度，C_T代表材料比热，κ_x，κ_y，κ_z分别代表沿x，y，z方向的热传导系数，Q(x,y,z,t)代表物体内部热源强度。

步骤(4)中，选择高温碳化炉外部保温层三维仿真模型的监测面为过中心点的Y方向平面。

步骤(4)中所述仿真结果包括：监测面的温度变化云图。

本发明的有益效果为：本发明通过对设计过程中保温层材料的温度分布特性进行模拟从而合理确定隔热材料的选择与几何尺寸。由此可见，本发明可直观判定高温碳化炉外部保温层的隔热效果，可以更好的实现保温层隔热材料的选择并确定保温层的几何参数，从而为提高隔热效率，降低设计成本提供理论依据。

附图说明

图1是本发明模拟方法中建立的保温层模型示意图。

图2是本发明模拟方法中建立的保温层模型计算网格示意图。

图3-图5是本发明中监测面的不同工作温度下保温层的温度分布特性云图。

具体实施方式

以下结合附图本发明优选的具体实施例对本发明的方法作进一步地说明。

本发明公开的一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括有如下步骤：

(1)、采用三维CAD(Computer Aided Design计算机辅助设计)软件SOLIDWORKS软件建立高温碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型，并设定相关参数；设定的相关参数包括：保温层几何形状和几何尺寸，内部炉腔几何形状和几何尺寸，以及石墨加热管几何形状和几何尺寸。如图1中所示，高温碳化炉保温层和炉内腔体从外到内依次为空气1、保温层一2、保温层二3、氮气层4、加热管层5、氮气层6、石墨层7及氮气层8。

(2)、将三维仿真模型进行网格划分；将步骤(1)建立的碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型传递到ICEM软件的Blocking模块中，在Blocking模块中采用O-Block方式对三维仿真模型进行网格划分，如图2中所示，网格划分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子为默认值1.2，根据软件中网格质量的判断标准，同时保证整体结构的网格质量大于0.9，同时为了便于后期设置计算条件，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，主要包括保温层，加热管壁面，炉腔壁面；

(3)、将步骤(2)中划分好的三维仿真模型导入ANSYS软件的FLUENT模块，并对FLUENT模块进行设置；

(4)、在ANSYS软件中的FLUENT模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉保温层材料隔热性能的指标；具体对ANSYS软件中的FLUENT进行设置的过程如下：

(4.1)、在User Defined选项导入根据设备运行工艺参数编制的自定义温度参数；

(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为Transient瞬态传热；

(4.3)、将Models选项中的Energy勾选Energy Equation，Viscous Models选项中选取laminar模型，为了判断炉腔内气流运动状态，引入雷诺数进行描述，雷诺数的计算公式为：

其中，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度。通过雷诺数的计算，进而选择湍流模型为laminar模型；

(4.4)、将Models选项中的Radiation Model勾选Surface to Surface,并在ViewFactor and Clustering选项点击Compute/Write/Read进行保存；

(4.5)、在Materials Fluid选项部分选择氧气和氮气，在Materials Solid选项部分新建保温材料，材料的属性主要有密度、比热容、导热系数，然后分别选择每种新建的保温材料；

(4.6)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氮气，Fluid3部分设为空气；将Solid1部分设为第一种保温材料，Solid2部分设为第二种保温材料，Solid3部分设为第三种保温材料；

(4.7)、在Boundary Conditions选项中设置保温材料之间的传热方式为Coupled，加热管表面设置为UDF定义每小时内管壁温度值，炉腔内气体与保温材料、加热管之间传热方式为Coupled；

(4.8)、选择Check case后进行计算；选择Check case后进行计算基础的高温碳化炉传热计算的三维数学模型，包含的三维连续性方程、动量方程、能量方程分别如公式(1)、(2)、(3)所示：

式中，ρ-流体密度；t-时间；V-速度矢量，其中u、v、w为V在x、y及z三个方向上的分量。

动量方程的Navier-Stokes方程：

其中，μ是动力黏度，F_b是微元上的体积力。

能量守恒方程：

其中，h为炉内气体的比焓；λ为炉内气体的导热系数；gradT为气体传热面法向温度

梯度；S_h为气体内部的热源；Φ为气体的耗散函数；

热传导问题的控制方程可以根据Fourier传热定律和能量守恒方程来建立，对固体而言，其瞬态温度场T(x,y,z,t)满足以下方程：

其中，ρ代表材料密度，C_T代表材料比热，κ_x，κ_y，κ_z分别代表沿x，y，z方向的热传导系数，Q(x,y,z,t)代表物体内部热源强度。

本步步骤中选择高温碳化炉外部保温层三维仿真模型的监测面为过中心点的Y方向平面。所述仿真结果包括：监测面的温度变化云图。

(5)、在相同设置条件下，通过将三维仿真模型设置不同参数并重复步骤(1)-(4)，以进行多次模拟计算，由高温碳化炉保温层温度分布特性云图，以此确定不同保温层的材料与几何尺寸，本发明可直观判定高温碳化炉保温材料的隔热性能，可以更好的实现高温碳化炉保温材料隔热性能的判定，并合理的选择保温材料的物理参数与几何参数，从而为提高高温碳化炉的保温性能与降低设计成本提供理论依据。。

本发明通过在加热管壁面边界中修改温度大小可以得出不同加热温区下高温碳化炉外部保温材料隔热性能，对比监测面处不同加热温度时保温层的温度变化云图可以看出，如图3-图5所示，保温层内温度分布不均匀，加热管附近温度最高，外部保温层隔热效果明显，采用导热系数低的保温层隔热效果明显，温度随着保温层厚度的增加逐渐降低。为验证ANSYS的仿真结果，应多次模拟，比较分析结果，得出高温碳化炉外部保温层材料隔热效果与几何尺寸的最佳方案。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (1)

1.一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括有如下步骤：

(1)、采用三维CAD软件SOLIDWORKS软件建立高温碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型，并设定相关参数，相关参数包括：保温层几何形状和几何尺寸，内部炉腔几何形状和几何尺寸，以及石墨加热管几何形状和几何尺寸；

(2)、将三维仿真模型进行网格划分；将步骤(1)建立的碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型传递到ICEM软件的Blocking模块中，在Blocking模块中采用O-Block方式对三维仿真模型进行网格划分,网格划分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子为默认值1.2，根据软件中网格质量的判断标准，同时保证整体结构的网格质量大于0.9，同时为了便于后期设置计算条件，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括保温层，加热管壁面，炉腔壁面；

(3)、将网格划分好的三维仿真模型导入ANSYS软件的FLUENT模块，并对FLUENT模块进行设置；

(4)、在ANSYS软件中的FLUENT模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉保温层材料隔热性能的指标；对ANSYS软件中的FLUENT进行设置的过程如下：

(4.1)、在User Defined选项导入根据设备运行工艺参数编制的自定义温度参数；

(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为Transient瞬态传热；

(4.3)、将Models选项中的Energy勾选Energy Equation，Viscous Models选项中选取laminar模型，为了判断炉腔内气流运动状态，引入雷诺数进行描述，雷诺数的计算公式为：

其中，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度；通过雷诺数的计算，进而选择湍流模型为laminar模型；

(4.4)、将Models选项中的Radiation Model勾选Surface to Surface,并在ViewFactor and Clustering选项点击Compute/Write/Read进行保存；

(4.5)、在Materials Fluid选项部分选择氧气和氮气，在Materials Solid选项部分新建保温材料，材料的属性主要有密度、比热容、导热系数，然后分别选择每种新建的保温材料；

(4.6)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氮气，Fluid3部分设为空气；将Solid1部分设为第一种保温材料，Solid2部分设为第二种保温材料，Solid3部分设为第三种保温材料；

(4.7)、在Boundary Conditions选项中设置保温材料之间的传热方式为Coupled，加热管表面设置为UDF定义每小时内管壁温度值，炉腔内气体与保温材料、加热管之间传热方式为Coupled；

(4.8)、选择Check case后进行计算；选择Check case后进行计算基础的高温碳化炉传热计算的三维数学模型，包含的三维连续性方程、动量方程、能量方程分别如公式(1)、(2)、(3)所示：

式中，ρ-流体密度；t-时间；V-速度矢量，其中u、v、w为V在x、y及z三个方向上的分量；

动量方程的Navier-Stokes方程：

其中，μ是动力黏度，F_b是微元上的体积力；

能量守恒方程：

其中，h为炉内气体的比焓；λ为炉内气体的导热系数；gradT为气体传热面法向温度梯度；S_h为气体内部的热源；Φ为气体的耗散函数；

热传导问题的控制方程根据Fourier传热定律和能量守恒方程来建立，对固体而言，其瞬态温度场T(x,y,z,t)满足以下方程：

其中，ρ代表材料密度，C_T代表材料比热，κ_x，κ_y，κ_z分别代表沿x，y，z方向的热传导系数，Q(x,y,z,t)代表物体内部热源强度；

选择高温碳化炉外部保温层三维仿真模型的监测面为过中心点的Y方向平面；

仿真结果包括：监测面的温度变化云图；

(5)、在相同设置条件下，通过将三维仿真模型设置不同参数并重复步骤(1)-(4)，以进行多次模拟计算，由高温碳化炉保温层温度分布特性云图，以此确定不同保温层的材料与几何尺寸。

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