CN113935209A - 一种基于fluent的辊式连续淬火过程温度场仿真方法 - Google Patents

一种基于fluent的辊式连续淬火过程温度场仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，包括以下步骤：根据淬火机辊速和淬火机各冷却段相关参数，明确辊式淬火过程工艺机设备参数；采用FLUENT对各冷却段内钢板射流冲击冷却过程及钢板上表面滞留水流动冷却过程进行有限元分析，基于不可压缩流体流动的基本原理和流‑热‑固耦合有限元方法，分析钢板在该冷却段内表面换热情况，获得钢板在该冷却段内换热边界条件；根据各冷却段内淬火工艺参数进行淬火实验，验证FLUENT获得的换热边界条件，进行修正；根据修正后的表面换热条件编写钢板表面换热载荷，获取实际辊式连续淬火过程温度场。本发明在保证仿真精度的前提下，有效降低实验成本，可以获得更加准确的辊式连续淬火过程温度场数据。

Description

一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法
技术领域
本发明属于钢铁热处理技术领域，具体涉及一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法。
背景技术
淬火可以显著提高钢板的强度和硬度，是生产高性能高附加值钢板的重要工序。近年来，中厚板企业热处理生产车间，通常采用辊式淬火机完成钢板淬火过程，中厚板辊式淬火相较于其他淬火方式有着明显的优势，辊式淬火过程中钢板在运动淬火，冷却强度大，淬火均匀，钢板可以以极高的冷速冷却到室温，生产效率高、产品质量好，是现代化中厚板热处理生产线首选设备。但辊式淬火工艺复杂，冷却过程控制难度大，而淬火工艺的合理性主要取决于淬冷速度及钢板冷却的均匀性。因此，钢板淬火温度场的计算尤其是对于辊式连续淬火过程温度场的计算是钢铁领域非常重要的问题。
现有对于辊式连续淬火过程温度场的研究，多采用实验法，通过实测钢板温降数据，利用反传热法计算平均对流换热系数，以平均对流换热系数作为边界条件计算淬火温度场，但该方法无法真实客观的反映钢板内部温度变化情况，模拟结果仅能提供定性分析并且灵活性较差，淬火工艺参数改变时需要重新进行工业实验，实验成本大；或者采用数值模拟的方法，直接仿真钢板移动淬火过程温度变化，该方法忽略了淬火初期因钢板表面温度较高而引起的沸腾换热影响，因此该研究方法误差较大。
发明内容
本发明旨在提供一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，以解决以往辊式连续淬火过程温度场研究中反传热法工业实验成本大、灵活性差、无法客观真实地反应钢板温度变化情况及直接数值仿真过程中未考虑沸腾传热而误差较大等缺点，在节省实验成本及保证仿真精度的前提下，仿真结果可真实客观地反应钢板温度变化情况，为淬火工艺的合理性提供判断依据。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1收集并分析辊式淬火机的设备参数，明确辊式淬火工艺参数；
步骤2基于FLUENT建立钢板表面换热模型，对淬火工艺下钢板表面换热情况进行仿真，获取钢板表面对流换热系数；引入影响系数，即不同表面温度下钢板表面对流换热系数值与表面温度为设定值时钢板表面对流换热系数值的比值，通过钢板表面温度与影响系数之间的关系，获得钢板表面对流换热系数与钢板表面温度之间的关系式，以此作为钢板表面换热边界条件；
步骤3根据实际淬火工艺参数，进行钢板淬火实验，获取实验温度数据；根据步骤2获取的钢板表面换热边界条件对实验钢板温度场进行仿真，获取仿真温度数据；将实验温度数据与仿真温度数据进行对比分析，通过调整影响系数修正钢板表面换热边界条件，以缩小实验温度数据与仿真温度数据的差距；
步骤4根据修正后的钢板表面换热边界条件，通过用户自定义函数UDF编写钢板表面动态换热载荷，进行辊式连续淬火过程温度场仿真；
步骤5依据温度场仿真结果，分析实际问题。
优选地，步骤1中的淬火工艺参数包括：喷嘴的类型、布置形式、各喷嘴射流速度、射流高度、射流角度、钢板尺寸规格、钢种；所述的设备参数包括：辊速、各冷却段内喷嘴类型、不同冷却段间距、淬火机有效长度。
优选地，步骤2中钢板表面换热模型包括各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型及各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型。
进一步地，建立所述各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型包括如下步骤：
1)建立各冷却段内喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热仿真模型，通过明确的各冷却段内工艺及设备参数，分别建立各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型；
2)定义各部位的边界条件，包括喷嘴出口、钢板表面的边界条件；
3)将各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时考虑淬火介质水及冷却钢板的物性参数随温度的变化情况；
4)根据实际淬火工艺参数，赋予边界条件初始值，包括喷嘴出口速度初始值、钢板表面初始温度；
5)设置求解方法为PISO算法，压力离散采用body forced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
6)设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
7)运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出钢板在该冷却段内表面对流换热系数；
8)以钢板表面温度为373K时对流换热系数为基准，引入影响系数，即不同表面温度下钢板表面对流换热系数值除以钢板表面温度373K时对流换热系数值，由此获得钢板表面温度与影响系数之间的关系，钢板表面温度变化至某一温度时将该温度下影响系数与373K时对流换热系数相乘，即得到钢板表面在该温度下对流换热系数，获取在该冷却段内射流冲击作用下钢板表面对流换热系数与钢板表面温度之间的关系式，以此作为钢板表面换热边界条件。
进一步地，建立的各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型包括如下步骤：
1)建立滞留水层流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型，依据所收集的淬火工艺下钢板尺寸规格建立钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型；
2)定义各部位边界条件，包括钢板上表面、流水入口边界条件；
3)有钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时将钢及水的热物性参数插入模型中；
4)依据实际情况赋予流水入口速度初始值，钢板上表面温度赋予初始值为373K；设置求解方法为PISO算法，压力离散采用body forced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
5)设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
6)运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出水流在该流速情况下钢板表面对流换热系数；
7)重复步骤4)～7)，不断改变流水速度，可知水流在不同流速情况下钢板表面对流换热系数，由此可获取流水冷却作用下流速与钢板表面对流换热系数之间的关系曲线；
8)依据步骤1明确的设备及工艺参数，设备参数包括各冷却段间距、喷嘴类型，工艺参数包括射流速度、射流角度、射流高度，建立淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型；
9)定义各部分边界条件，包括各个喷嘴、钢板壁面的边界条件；
10)将淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε；
11)依据实际情况赋予边界条件初始值，包括各个喷嘴出口速度初始值；
12)设置求解方法为PISO算法，压力离散采用body forced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
13)设置足够长的求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
14)仿真运算完成后，查看各冷却段流场分布情况，判断流场是否已经稳定，稳定后导出冷却段间流场速度，获取各冷却段间流场速度分布曲线；
15)依据获取的流速与钢板表面对流换热系数曲线及各冷却段之间流场速度分布曲线相乘，获得淬火机各冷却段之间流水冷却作用下钢板表面对流换热系数分布情况。
优选地，步骤3中对钢板表面换热边界条件进行修正包括如下步骤：
1)依据步骤2建立的钢板表面换热模型，建立实验模型；
2)依据实际淬火工艺参数，进行钢板淬火实验，测量钢板不同位置冷却情况，获取实验温度数据；
3)根据步骤2仿真分析获取的钢板表面换热边界条件，对实验钢板温度场进行仿真，获取仿真温度数据；
4)将实验温度数据与仿真温度数据进行对比分析，调整影响系数，修正钢板表面换热边界条件，缩小实验温度数据与仿真温度数据的差距；
5)当实验温度数据与仿真温度数据的差距达到预期要求范围内，仿真换热边界条件修正完成，将所采用的钢板表面换热边界条件直接作用于实际工况中各喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热条件，获取准确的钢板表面对流换热系数与钢板温度的关系式。
优选地，步骤4中通过用户自定义函数UDF编写钢板表面动态换热载荷包括如下步骤：
1)依据步骤1收集的相关参数，钢板表面同一部位不同时刻换热形式不同，空间坐标位置也不相同，采用F_CENTROID(y,f,t)获取钢板表面网格坐标位置及RP_Get_Real("flow-time")获取仿真初始时间，获取淬火过程钢板位置在时间、空间的关系；
2)依据步骤3修正后的钢板表面换热边界条件，采用F_T(f,t)获取网格表面实时温度即钢板表面实时温度，由此准确描述辊式淬火过程中钢板表面换热情况；
3)依据钢板位置在空间、时间的关系及钢板表面实时温度数据编写钢板表面动态换热载荷，钢板某一部位某一时刻运动至某一冷却段由位置、时间关系描述，换热情况由获取的实时钢板表面温度与对流换热系数关系描述；
4)将编写的动态换热载荷插入FLUENT模型中，完成辊式连续淬火过程温度场仿真。
优选地，步骤2中所述的钢板表面换热边界条件包括喷嘴射流冲击下换热边界条件及钢板上表面流水换热边界条件，通过仿真获得钢板表面对流换热系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，该方法针对辊式连续淬火过程的冷却特点，采用仿真获取钢板表面换热边界条件。换热边界包括喷嘴射流冲击下换热边界条件及钢板上表面流水换热边界条件，引入影响系数，由此可知当钢板表面任意温度下对流换热系数分布情况；通过仿真模型建立实验模型，获取实验温度数据，以仿真获得对流换热系数作为边界条件，获取仿真温度数据，两者之间对比，不断修正影响系数，从而达到对仿真得出的换热边界条件修正的目的，修正后的影响系数与钢板表面温度关系式可直接作用于实际工况中各喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热条件，获取准确的钢板表面对流换热系数与钢板表面温度的关系式；通过已经明确的钢板表面对流换热系数随钢板表面温度的关系，编写动态换热载荷并插入FLUENT模型中，由此可获得辊式连续淬火过程温度场。
本发明以仿真模型为基础建立实验模型，对仿真进行验证和修正，获取合适的影响系数，在校核仿真结果的前提下避免了工业实验，降低实验成本。通过计算机软件进行辊式连续淬火过程仿真，提升了仿真精度。
附图说明
图1为本发明的流程图示；
图2为喷嘴射流冲击作用下换热有限元网格模型；
图3为射流冲击作用下换热仿真模拟结果；
图4为初步采用的影响系数曲线；
图5为钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真有限元网格模型；
图6为5mm厚度水层，1m/s流速下钢板表面对流换热系数分布情况；
图7为流水冷却作用下流速与钢板表面对流换热系数之间的关系曲线；
图8为冷却段间流场分布情况；
图9为冷却段间流场速度分布曲线；
图10为修正后实验与仿真温度数据对比；
图11为修正后的影响系数与钢板表面温度的关系曲线；
图12为辊式连续淬火过程钢板上下表面及心部温度随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面对本发明技术方案做进一步详细说明。
实施例一
参见图1，本发明提供一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，包括以下步骤：
步骤1收集分析辊式淬火机的设备参数，明确辊式淬火工艺参数；
步骤2基于FLUENT建立钢板表面换热模型，对在该淬火工艺下钢板表面换热情况进行仿真分析，获取钢板表面换热边界条件；
步骤3根据淬火机内各冷却段淬火工艺参数，进行淬火实验，对由FLUENT分析得出的换热边界条件进行验证，对换热边界条件进行修正；
步骤4根据修正后的钢板换热边界条件，通过用户自定义函数(UDF)编写钢板表面动态换热载荷，进行辊式连续淬火过程温度场仿真；
步骤5依据温度场仿真结果，分析实际问题。
步骤1中的淬火工艺参数包括：喷嘴的类型、布置形式、各喷嘴射流速度、射流高度、射流角度、钢板尺寸规格、钢种；所述的设备参数包括：辊速、各冷却段内喷嘴类型、不同冷却段间距、淬火机有效长度；
步骤2中钢板表面换热模型包括各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型及各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型；
建立的各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型包括如下步骤：
1)建立各冷却段内喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热仿真模型，通过明确的各冷却段内工艺及设备参数，分别建立各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型；
2)定义各部位的边界条件，如喷嘴出口、钢板表面等；
3)将各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时考虑淬火介质水及冷却钢板的物性参数随温度的变化情况；
4)根据实际淬火工艺参数，赋予边界条件初始值，如喷嘴出口速度，钢板初始温度；
5)设置求解方法为分离式解法SIMPLE改进的PISO算法，压力离散采用bodyforced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
6)设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
7)运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出钢板在该冷却段内表面对流换热系数；
8)以钢板表面温度为373K时对流换热系数为基准，引入影响系数，不同表面温度下钢板对流换热系数值除以钢板表面温度373K时对流换热系数值，由此获得钢板表面温度与影响系数之间的关系，钢板表面温度变化至某一温度时将该温度下影响系数与373K时对流换热系数相乘，即得到钢板在该温度下对流换热系数，获取在该冷却段内射流冲击作用下钢板表面对流换热系数与钢板表面温度之间的关系式，以此作为钢板换热边界条件。
建立的各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型包括如下步骤：
1)建立滞留水层流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型，依据所收集该淬火工艺下钢板尺寸规格建立钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型；
2)定义各部位边界条件，如钢板上表面、流水入口及出口等；
3)将钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时将钢及水的热物性参数插入模型中；
4)依据实际情况赋予流水入口初始值，钢板温度赋予初始值为373K；
设置求解方法为分离式解法SIMPLE改进的PISO算法，压力离散采用bodyforcedweighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
5)设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
6)运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出水流在该流速情况下钢板表面对流换热系数；
7)重复步骤4)～7)，不断改变流水速度，可知水流在不同流速情况下钢板表面对流换热系数，由此可获取流水冷却作用下流速与钢板表面对流换热系数之间的关系曲线；
8)依据步骤1明确的设备及工艺参数，设备参数包括各冷却段间距、喷嘴类型，工艺参数包括射流速度、射流角度、射流高度等，建立淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型；
9)定义各部分边界条件，如各个喷嘴、钢板壁面等；
10)将淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε；
11)依据实际情况赋予边界条件初始值，如各个喷嘴出口速度；
12)设置求解方法为分离式解法SIMPLE改进的PISO算法，压力离散采用bodyforced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
13)设置足够长的求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
14)仿真运算完成后，查看各冷却段流场分布情况，判断流场是否已经稳定，稳定后导出冷却段间流场速度，获取各冷却段间流场速度分布曲线；
15)依据获取的流速与钢板表面对流换热系数曲线及各冷却段之间流场速度分布曲线相乘，可获得淬火机各冷却段之间流水冷却作用下钢板表面对流换热系数分布情况；
步骤3修正换热边界条件具体包括如下步骤：
1)根据步骤2所建立的辊式淬火机内不同冷却段内的FLUENT仿真模型，设计实验模型；
2)依据实际淬火工艺参数，进行钢板淬火实验，测量钢板不同位置冷却情况，获取实验温度数据；
3)以步骤2)仿真获取的钢板表面换热边界条件作为边界条件，对实验钢板温度场进行仿真，获取仿真温度数据；
4)将实验温度数据与仿真温度数据对比分析，调整影响系数，修正钢板表面换热边界条件，缩小实验温度数据与仿真温度数据的差距；
5)实验与仿真温度数据差距达到预期要求范围内，仿真换热边界条件修正完成，所采用的钢板表面对流换热系数与钢板表面温度关系式可直接作用于实际工况中各喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热条件，获取准确的钢板表面对流换热系数与钢板表面温度的关系式。
步骤4中编写钢板表面动态换热载荷包括如下步骤：
1)依据步骤1所收集的相关参数，钢板表面同一部位不同时刻换热形式不同，空间坐标位置也不相同，所采用F_CENTROID(y,f,t)获取钢板表面网格坐标位置及RP_Get_Real("flow-time")获取仿真初始时间，获取淬火过程钢板位置在时间、空间关系；
2)依据步骤3所获取修正后的钢板表面对流换热系数与钢板表面温度的关系式，采用F_T(f,t)获取网格表面实时温度即钢板表面实时温度，由此可准确描述辊式淬火过程中钢板表面换热情况；
3)依据钢板在空间位置、时间的关系及钢板表面实时温度数据编写钢板表面动态换热载荷，钢板某一部位某一时刻运动至某一冷却段由位置、时间关系描述，换热情况由获取的实时钢板表面温度与对流换热系数关系描述；
4)编写的动态换热载荷插入FLUENT模型中，完成辊式连续淬火过程温度场仿真。
本发明根据得到的辊式连续淬火过程温度场，可真实客观的反应钢板任意时刻任意部位温度变化情况，从而为制定合理的淬火工艺提供判断依据。
图12为辊式连续淬火过程钢板上下表面及心部温度随时间的变化曲线。
实施例二
本实施例针对N800CF钢板，提供一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，具体包括如下步骤：
1)收集分析辊式淬火机的设备参数，明确辊式淬火工艺参数，需明确的设备参数包括：淬火机喷嘴类型包括缝隙喷嘴、圆形喷嘴，各冷却段间距为600/800mm，各冷却段内喷嘴布置形式，淬火机有效淬火长度23000mm，辊速0.045m/s等等；需明确的工艺参数包括：各个喷嘴射流出口速度、射流高度、射流角度，钢板规格：8000×3000×58mm，钢种为N800CF等等；
2)基于FLUENT建立钢板表面换热模型，对在该淬火工艺下钢板表面换热情况进行仿真分析，建立各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型及各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型，以此获取钢板表面换热边界条件；
3)根据淬火机内各冷却段淬火工艺参数，设计并进行淬火实验，获取实验数据，以FLUENT分析得出的换热边界作为模型边界条件，模拟仿真温度场，对比模型与实验的差距，对换热边界条件进行修正；
4)根据修正后的钢板换热边界条件，通过用户自定义函数(UDF)编写钢板表面动态换热载荷，进行辊式连续淬火过程温度场仿真；
5)依据温度场仿真结果，分析实际问题。
步骤2)中建立的各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型具体为：
201)建立各冷却段内喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热仿真模型，通过明确的冷却段内工艺及设备参数，建立各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型，缝隙喷嘴射流高度30mm，射流角度25°，建立有限元网格模型见图2；
202)定义各部位的边界条件，喷嘴出口采用Velocity–inlet、钢板表面采用无滑移壁面条件，其余边界采用Pressure-outlet；
203)各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时考虑淬火介质水及冷却钢板的物性参数随温度的变化情况；
204)根据实际淬火工艺参数，赋予边界条件初始值，喷嘴出口速度为31.5m/s，水温为300k，钢板初始温度温度373K，压力出口压力值为0Pa；
205)设置求解方法为分离式解法SIMPLE改进的PISO算法，压力离散采用bodyforced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
206)设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
207)运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出钢板在该冷却段内表面对流换热系数见图3；
208)以钢板表面温度为373K时对流换热系数为基准，引入影响系数，见图4，不同表面温度下钢板对流换热系数值除以钢板表面温度373K时对流换热系数值，由此获得钢板表面温度与影响系数之间的关系，钢板表面温度变化至某一温度时将该温度下影响系数与373K时对流换热系数相乘，即得到钢板在该温度下对流换热系数，获取在该冷却段内射流冲击作用下钢板表面对流换热系数与钢板表面温度之间的关系式，以此作为钢板换热边界条件。
步骤2)中建立的钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型具体为：
201)建立滞留水层流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型，依据所收集该淬火工艺下钢板尺寸规格建立钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型，水层厚度取5mm，所建立的有限元网格模型见图5；
202)定义各部位边界条件，钢板上表面采用无滑移壁面条件、流水入口采用Velocity–inlet、出口采用Pressure-outlet，大气边界采用Pressure-inlet；
203)有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时将钢及水的热物性参数插入模型中；
204)依据实际情况赋予流水入口初始值，水流速度取1m/s，钢板温度赋予初始值为373K，压力入口及出口压力值为0Pa；
205)设置求解方法为分离式解法SIMPLE改进的PISO算法，压力离散采用bodyforced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
206)设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
207)运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出水流在该流速情况下钢板表面对流换热系数，见图6；
208)重复步骤204)～207)，依据工况实际条件水流出口速度选取0.045m/s～30m/s之间可满足要求，由此可知不同流速情况下钢板表面对流换热系数，由此可获取流水冷却作用下流速与钢板表面对流换热系数之间的关系曲线，见图7；
209)依据已明确的设备及工艺参数，设备参数包括各冷却段间距、喷嘴类型，工艺参数包括射流速度、射流角度、射流高度等，建立淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型，两冷却段喷嘴间距600mm，按各冷却段喷嘴布置形式、射流高度等建立有限元网格模型；
209)定义各部分边界条件，喷嘴出口采用Velocity–inlet、钢板表面采用无滑移壁面条件，其余边界采用Pressure-outlet；
210)有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε；
211)依据实际情况赋予边界条件初始值，如各个喷嘴出口速度；
212)设置求解方法为分离式解法SIMPLE改进的PISO算法，压力离散采用bodyforced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
213)设置足够长的求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
214)仿真运算完成后，查看各冷却段间流场分布情况，见图8，判断流场是否已经稳定，稳定后导出冷却段间流场速度，获取各冷却段间流场速度分布曲线，见图9；
215)依据获取的流速与钢板表面对流换热系数曲线及各冷却段之间流场速度分布曲线相乘，可获得淬火机各冷却段之间流水冷却作用下钢板表面对流换热系数分布情况。
步骤3)修正换热边界条件的具体步骤为：
301)根据步骤2)建立的辊式淬火机内不同冷却段内的FLUENT仿真模型，设计实验模型；
302)依据实际淬火工艺参数，进行钢板淬火实验，测量钢板不同位置冷却情况，获取实验温度数据；
303)以步骤2)仿真获取的钢板表面换热边界条件作为边界条件，对实验钢板温度场进行仿真，获取仿真温度数据；
304)将实验温度数据与仿真温度数据对比分析，调整影响系数，修正钢板表面换热边界条件，缩小实验温度数据与仿真温度数据的差距；
305)实验与仿真温度数据差距达到预期要求范围内，见图10，仿真换热边界条件修正完成，所采用的钢板表面对流换热系数与钢板表面温度关系式可直接作用于实际工况中各喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热条件，获取准确的钢板表面对流换热系数与钢板温度的关系式，修正后的影响系数见图11；
步骤4)中钢板表面动态换热载荷具体为：
401)依据步骤1)收集的相关参数，钢板表面同一部位不同时刻换热形式不同，空间坐标位置也不相同，所采用F_CENTROID(y,f,t)获取钢板表面网格坐标位置及RP_Get_Real("flow-time")获取仿真初始时间，获取淬火过程钢板位置在时间、空间关系；
402)依据步骤3)获取修正后的钢板表面对流换热系数与钢板表面温度的关系式，采用F_T(f,t)获取网格表面实时温度即钢板表面实时温度，由此可准确描述辊式淬火过程中钢板表面换热情况；
403)依据钢板在空间位置、时间的关系及钢板表面实时温度数据编写钢板表面动态换热载荷，钢板某一部位某一时刻运动至某一冷却段由位置、时间关系描述，换热情况由获取的实时钢板表面温度与对流换热系数关系描述；
404)编写的动态换热载荷插入FLUENT模型中，完成辊式连续淬火过程温度场仿真，仿真结果见图12。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1 收集并分析辊式淬火机的设备参数，明确辊式淬火工艺参数；
步骤2 基于FLUENT建立钢板表面换热模型，对淬火工艺下钢板表面换热情况进行仿真，获取钢板表面对流换热系数；引入影响系数，即不同表面温度下钢板表面对流换热系数值与表面温度为设定值时钢板表面对流换热系数值的比值，通过钢板表面温度与影响系数之间的关系，获得钢板表面对流换热系数与钢板表面温度之间的关系式，以此作为钢板表面换热边界条件；
步骤3 根据实际淬火工艺参数，进行钢板淬火实验，获取实验温度数据；根据步骤2获取的钢板表面换热边界条件对实验钢板温度场进行仿真，获取仿真温度数据；将实验温度数据与仿真温度数据进行对比分析，通过调整影响系数修正钢板表面换热边界条件，以缩小实验温度数据与仿真温度数据的差距；
步骤4 根据修正后的钢板表面换热边界条件，通过用户自定义函数UDF编写钢板表面动态换热载荷，进行辊式连续淬火过程温度场仿真；
步骤5依据温度场仿真结果，分析实际问题。
2.如权利要求1所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于步骤1中的淬火工艺参数包括：喷嘴的类型、布置形式、各喷嘴射流速度、射流高度、射流角度、钢板尺寸规格、钢种；所述的设备参数包括：辊速、各冷却段内喷嘴类型、不同冷却段间距、淬火机有效长度。
3.如权利要求1所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于步骤2中钢板表面换热模型包括各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型及各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型。
4.如权利要求3所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于建立所述各冷却段内喷嘴射流冲击作用下换热模型包括如下步骤：
1）建立各冷却段内喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热仿真模型，通过明确的各冷却段内工艺及设备参数，分别建立各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型；
2）定义各部位的边界条件，包括喷嘴出口、钢板表面的边界条件；
3）将各冷却段内喷嘴、钢板及周围空气的有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Standk-
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，同时考虑淬火介质水及冷却钢板的物性参数随温度的变化情况；
4）根据实际淬火工艺参数，赋予边界条件初始值，包括喷嘴出口速度初始值、钢板表面初始温度；
5）设置求解方法为PISO算法，压力离散采用body forced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
6）设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
7）运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出钢板在该冷却段内表面对流换热系数；
8）以钢板表面温度为373K时对流换热系数为基准，引入影响系数，即不同表面温度下钢板表面对流换热系数值除以钢板表面温度373K时对流换热系数值，由此获得钢板表面温度与影响系数之间的关系，钢板表面温度变化至某一温度时将该温度下影响系数与373K时对流换热系数相乘，即得到钢板表面在该温度下对流换热系数，获取在该冷却段内射流冲击作用下钢板表面对流换热系数与钢板表面温度之间的关系式，以此作为钢板表面换热边界条件。
5.如权利要求3所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于建立的各冷却段之间钢板上表面滞留水流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型包括如下步骤：
1）建立滞留水层流动冷却作用下钢板表面换热仿真模型，依据所收集的淬火工艺下钢板尺寸规格建立钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型；
2）定义各部位边界条件，包括钢板上表面、流水入口边界条件；
3）有钢板长度-厚度方向二维有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε，同时将钢及水的热物性参数插入模型中；
4）依据实际情况赋予流水入口速度初始值，钢板上表面温度赋予初始值为373K；设置求解方法为PISO算法，压力离散采用body forced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
5）设置求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
6）运算完成后，查看钢板表面换热情况，导出水流在该流速情况下钢板表面对流换热系数；
7）重复步骤4)~7)，不断改变流水速度，可知水流在不同流速情况下钢板表面对流换热系数，由此可获取流水冷却作用下流速与钢板表面对流换热系数之间的关系曲线；
8）依据步骤1明确的设备及工艺参数，设备参数包括各冷却段间距、喷嘴类型，工艺参数包括射流速度、射流角度、射流高度，建立淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型；
9）定义各部分边界条件，包括各个喷嘴、钢板壁面的边界条件；
10）将淬火机各冷却段之间流场有限元网格模型导入FLUENT，进行网格检查，设置计算模型，多相流模型选用VOF，湍流模型采用Stand k-ε；
11）依据实际情况赋予边界条件初始值，包括各个喷嘴出口速度初始值；
12）设置求解方法为PISO算法，压力离散采用body forced weighted方法，湍动能和耗散率的离散格式为一阶迎风格式；
13）设置足够长的求解时间步，进行FLUENT仿真运算；
14）仿真运算完成后，查看各冷却段流场分布情况，判断流场是否已经稳定，稳定后导出冷却段间流场速度，获取各冷却段间流场速度分布曲线；
15）依据获取的流速与钢板表面对流换热系数曲线及各冷却段之间流场速度分布曲线相乘，获得淬火机各冷却段之间流水冷却作用下钢板表面对流换热系数分布情况。
6.如权利要求1所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于步骤3中对钢板表面换热边界条件进行修正包括如下步骤：
1）依据步骤2建立的钢板表面换热模型，建立实验模型；
2）依据实际淬火工艺参数，进行钢板淬火实验，测量钢板不同位置冷却情况，获取实验温度数据；
3）根据步骤2仿真分析获取的钢板表面换热边界条件，对实验钢板温度场进行仿真，获取仿真温度数据；
4）将实验温度数据与仿真温度数据进行对比分析，调整影响系数，修正钢板表面换热边界条件，缩小实验温度数据与仿真温度数据的差距；
5）当实验温度数据与仿真温度数据的差距达到预期要求范围内，仿真换热边界条件修正完成，将所采用的钢板表面换热边界条件直接作用于实际工况中各喷嘴射流冲击作用下钢板表面换热条件，获取准确的钢板表面对流换热系数与钢板温度的关系式。
7.如权利要求1所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于步骤4中通过用户自定义函数UDF编写钢板表面动态换热载荷包括如下步骤：
1）依据步骤1收集的相关参数，钢板表面同一部位不同时刻换热形式不同，空间坐标位置也不相同，采用F_CENTROID(y, f, t)获取钢板表面网格坐标位置及RP_Get_Real("flow-time")获取仿真初始时间，获取淬火过程钢板位置在时间、空间的关系；
2）依据步骤3修正后的钢板表面换热边界条件，采用F_T(f, t)获取网格表面实时温度即钢板表面实时温度，由此准确描述辊式淬火过程中钢板表面换热情况；
3）依据钢板位置在空间、时间的关系及钢板表面实时温度数据编写钢板表面动态换热载荷，钢板某一部位某一时刻运动至某一冷却段由位置、时间关系描述，换热情况由获取的实时钢板表面温度与对流换热系数关系描述；
4）将编写的动态换热载荷插入FLUENT模型中，完成辊式连续淬火过程温度场仿真。
8.如权利要求1所述的基于FLUENT的辊式连续淬火过程温度场仿真方法，其特征在于步骤2中所述的钢板表面换热边界条件包括喷嘴射流冲击下换热边界条件及钢板上表面流水换热边界条件，通过仿真获得钢板表面对流换热系数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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