CN114510881A - 一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法 - Google Patents

一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，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。针对现有高温碳化炉设计过程中三维模拟方法的技术不足，包括：(1)、建立三维仿真模型；(2)、传递到ICEM软件的Global Mesh Setup模块中，进行网格划分；(3)、传递到ANSYS软件的FLUENT模块，并进行设置边界条件；(4)、仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉中丝束加热性能的指标；(5)、重复步骤(1)‑(4)，由检测面的温度变化云图，实现丝束加热过程中炉腔内温度场、丝束表面温度场的可视性，直观输出的结果。降低成本，缩短产品开发周期，为数值模拟研究提供依据。

Description

一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟 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℃。目前在碳纤维生产中，产品的质量主要在生产流程完成后进行检测，导致产品的质量不能在生产中进行动态调整，产品合格率难以提高。高温碳化炉内温度场的均匀性对产品的性能至关重要，并且炉内温度在1000℃以上，常规的测试手段不能满足要求，因此需要选择合理的设计方法，保证炉壁能达到符合规范的表面温度，使丝束在炉腔内受热均匀，同时降低单位能耗。
发明内容
综上所述，本发明是针对现有高温碳化炉设计过程中，缺少能保证炉壁能达到符合规范的表面温度，使丝束在炉腔内受热均匀，同时降低单位能耗的加热性能三维模拟方法的技术不足，而提出一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法。
为解决本发明所提出的技术问题，采用的技术方案为：
一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤：
(1)、采用三维CAD软件SOLIDWORKS建立高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型；
(2)、将步骤(1)建立的高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型分别传递到ICEM软件的Global Mesh Setup模块中，在Global Mesh Setup模块中Volume Meshing Parameters设置网格划分类型为Tetra/Mixed，对高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型进行网格划分，整个计算域采用非结构网格，对靠近丝束表面壁面处进行网格加密，根据ICEM软件中网格质量的判断标准，保证整体结构的网格质量大于0.5，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括丝束壁面、炉腔进出口和炉腔壁面边界名称；
(3)、将划分好网格的流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型传递到ANSYS软件的FLUENT模块，并进行设置边界条件；
(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中丝束加热性能的指标；ANSYS软件中的FLUENT模块进行设置的过程如下：
(4.1)、在User Defined选项导入根据工艺参数编制的自定义丝束运动参数，通过UDF控制被加热丝束的运动状态，实现丝束在高温碳化炉中运动过程；
(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据实际设定为预设值，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：
Figure BDA0002779093950000021
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)在Materials Fluid选项部分选择空气和氮气；在Materials Solid选项建立丝束的物理参数，包括密度、比热容和热传导率参数；
(4.5)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；将Solid1部分设为丝束；
(4.6)、在Boundary Conditions选项中设置入口边界条件为Pressure-inlet，并将Velocity Magnitude根据实际要求设置为预设值，Thermal选项设置为udf tm-inlet，设置出口边界条件为Pressure-outlet，将一侧壁面设置为对流换热面，UDF定义每小时内炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际要求设置为预设值，其他壁面设置为绝热壁面，将丝束与气体接触面设置为Coupled；
(4.7)、在Dynamic Mesh选项，并勾选激活动网格选项，勾选Mesh Methods选项中的Smoothing，Remeshing选项；在Dynamic Mesh Zones中定义运动区域，在Zone Names下选择rigid wall，在Type中选择Rigid Body，在Preview Mesh Motion中设置预览网格运动；
(4.8)、选择Check Case后进行计算，计算时间根据实际工程中参数设定；其中选择Check Case后进行计算所使用的高温碳化炉全流场计算的三维数学模型，包括有连续性方程、动量方程和能量方程，分别如下所示：
Figure BDA0002779093950000031
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：
Figure BDA0002779093950000032
其中，μ是动力黏度，Fb是微元上的体积力；
能量守恒方程：
Figure BDA0002779093950000033
其中，Cp—比热容，T—温度，k—流体传热系数，ST—粘性耗散项；
(5)、在相同设置条件下，通过将高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的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，由检测面的温度变化云图，利用后处理软件CFD-POST实现丝束加热过程中炉腔内温度场、丝束表面温度场的可视性，直观输出的结果。
作为对本发明作进一步限定的技术方案包括有：
步骤(1)中对高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型设定的参数包括：马弗腔体几何形状和几何尺寸、进出口密封几何形状和几何尺寸、进出口密封氮气管进口尺寸、氮气管出口尺寸、被加热丝束的几何形状和几何尺寸。
步骤(4)中，选择高温碳化炉马弗腔体流体计算域的三维仿真模型的中心点作为检测面，检测面为过中心点的X方向平面，选择丝束表面作为检测面，检测面为过中心点的X方向平面。
本发明的有益效果为：本发明通过对高温碳化炉中在加热过程中的丝束表面温度场特性进行模拟，直观的可以将碳纤维生产过程中丝束的温度变化过程实现可视化，然后判断炉腔对丝束的加热能力是否满足工艺要求，从而为后续的结构优化提供支持。本发明可以降低实验成本，优化产品设计，缩短产品开发周期，为降低碳纤维生产能耗提供理论支持，也为相关的数值模拟研究提供依据。
附图说明
图1是本发明模拟方法中建立的三维模型示意图。
图2是本发明一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法的流程图。
图3是本发明任意时刻丝束在炉腔内加热过程的温度分布示意图。
图4是本发明丝束表面的温度分布示意图。
图5是本发明炉腔内温度分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图和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。
本发明公开的一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，具体包括有如下步骤，如图2中所示：
(1)、采用三维CAD(Computer Aided Design计算机辅助设计)软件SOLIDWORKS建立高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型，如图1中所示；并设定的相关参数包括：马弗腔体几何形状和几何尺寸、进出口密封几何形状和几何尺寸、进出口密封氮气管进口尺寸、氮气管出口尺寸、被加热丝束的几何形状和几何尺寸。
(2)、将步骤(1)建立的高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型分别传递到ICEM软件的Global Mesh Setup模块中，在Global Mesh Setup模块中Volume Meshing Parameters设置网格划分类型为Tetra/Mixed，对高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型进行网格划分，整个计算域采用非结构网格，也就是四面体网格。为了保证流场计算结果的准确性，对靠近丝束表面壁面处进行网格加密，根据ICEM软件中网格质量的判断标准，保证整体结构的网格质量大于0.5，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，包括丝束壁面、炉腔进出口和炉腔壁面边界名称。
(3)、将划分好网格的流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型传递到ANSYS软件的FLUENT模块，并进行设置边界条件。
(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中丝束加热性能的指标；ANSYS软件中的FLUENT模块进行设置的过程如下：
(4.1)、在User Defined选项导入根据工艺参数编制的自定义丝束运动参数，通过UDF控制被加热丝束的运动状态，实现丝束在高温碳化炉中运动过程；
(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据实际设定为预设值，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：
Figure BDA0002779093950000051
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)在Materials Fluid选项部分选择空气和氮气；在Materials Solid选项建立丝束的物理参数，包括密度、比热容和热传导率参数；
(4.5)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；将Solid1部分设为丝束；
(4.6)、在Boundary Conditions选项中设置入口边界条件为Pressure-inlet，并将Velocity Magnitude根据实际要求设置为预设值，Thermal选项设置为udf tm-inlet，设置出口边界条件为Pressure-outlet，将一侧壁面设置为对流换热面，UDF定义每小时内炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际要求设置为预设值，其他壁面设置为绝热壁面，将丝束与气体接触面设置为Coupled；
(4.7)、在Dynamic Mesh选项，并勾选激活动网格选项，勾选Mesh Methods选项中的Smoothing，Remeshing选项；在Dynamic Mesh Zones中定义运动区域，在Zone Names下选择rigid wall，在Type中选择Rigid Body，在Preview Mesh Motion中设置预览网格运动；
(4.8)、选择Check Case后进行计算，计算时间根据实际工程中参数设定；其中选择Check Case后进行计算所使用的高温碳化炉全流场计算的三维数学模型，包括有连续性方程、动量方程和能量方程，分别如下所示：
Figure BDA0002779093950000061
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：
Figure BDA0002779093950000062
其中，μ是动力黏度，Fb是微元上的体积力；
能量守恒方程：
Figure BDA0002779093950000063
其中，Cp—比热容，T—温度，k—流体传热系数，ST—粘性耗散项；
具体实施过程中，优选选择高温碳化炉马弗腔体流体计算域三维仿真模型的中心点作为检测面，检测面为过中心点的X方向平面，选择丝束表面作为检测面，检测面为过中心点的X方向平面。
(5)、在相同设置条件下，通过将高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的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，由检测面的温度变化云图，利用后处理软件CFD-POST实现丝束加热过程中炉腔内温度场、丝束表面温度场的可视性，直观输出的结果。
利用后处理软件CFD-POST实现丝束加热过程中炉腔内温度场、丝束表面温度场的可视性如图4、图5。由图可见三维计算结果不仅精度完全可以满足要求，而且输出数据的类型多样，输出的结果也更加直观。与现有技术相比，本发明提供的一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，具有如下优势：
(1)通过在CFD计算软件中引入丝束在高温碳化炉中的运动状态，更接近实际。
(2)关于高温碳化炉丝束加热性能的问题，传统的方法通常都是对加热后的丝束性能进行检测。本发明创造性地利用动网格方法模拟丝束的运动状态，通过丝束表面温度变化云图判定炉膛的加热能力，从而可以更好的衡量结构设计。
(3)可以直观动态的计算丝束表面在高温碳化炉内运动过程中任意时刻的温度分布特性。
(4)可以进一步用来研究高温碳化炉对丝束的加热性能，从而为高温碳化炉中在设计时提供参考。
本发明通过UDF定义丝束运动规律，入口边界velocity-inlet中修改气流速度大小可以得出不同丝束运动状态下丝束表面温度分布与马弗炉内蓄热能力的变化规律。分析丝束表面温度分布，丝束温度随着进入炉腔内长度逐渐增加，炉腔温度时刻保持恒定。综上，丝束在进入炉腔的过程中表面温度逐渐升高，丝束被加热，炉膛壁面具有良好的加热效果，其蓄热性能优越；如图3所示，从任意时刻丝束在炉腔内加热过程的温度分布示意图和如图4所示丝束表面的温度分布示意图显示出丝束表面被加热的过程温度呈现梯度增加，丝束表面温度分布均匀；如图5所示，本发明炉腔内温度分布示意图显示马弗腔内温度分布均匀，说明该炉腔内的气流组织合理分布。为验证仿真结果，应多次模拟，比较分析实验结果，得出丝束运动速度与马弗炉腔蓄热性能的最佳方案。
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 (3)

1.一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤：
(1)、采用三维CAD软件SOLIDWORKS建立高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型；
(2)、将步骤(1)建立的高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型分别传递到ICEM软件的Global Mesh Setup模块中，在Global Mesh Setup模块中VolumeMeshing Parameters设置网格划分类型为Tetra/Mixed，对高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型进行网格划分，整个计算域采用非结构网格，对靠近丝束表面壁面处进行网格加密，根据ICEM软件中网格质量的判断标准，保证整体结构的网格质量大于0.5，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括丝束壁面、炉腔进出口和炉腔壁面边界名称；
(3)、将划分好网格的流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型传递到ANSYS软件的FLUENT模块，并进行设置边界条件；
(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中丝束加热性能的指标；ANSYS软件中的FLUENT模块进行设置的过程如下：
(4.1)、在User Defined选项导入根据工艺参数编制的自定义丝束运动参数，通过UDF控制被加热丝束的运动状态，实现丝束在高温碳化炉中运动过程；
(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据实际设定为预设值，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：
Figure FDA0002779093940000011
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)在Materials Fluid选项部分选择空气和氮气；在Materials Solid选项建立丝束的物理参数，包括密度、比热容和热传导率参数；
(4.5)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；将Solid1部分设为丝束；
(4.6)、在Boundary Conditions选项中设置入口边界条件为Pressure-inlet，并将Velocity Magnitude根据实际要求设置为预设值，Thermal选项设置为udf tm-inlet，设置出口边界条件为Pressure-outlet，将一侧壁面设置为对流换热面，UDF定义每小时内炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际要求设置为预设值，其他壁面设置为绝热壁面，将丝束与气体接触面设置为Coupled；
(4.7)、在Dynamic Mesh选项，并勾选激活动网格选项，勾选Mesh Methods选项中的Smoothing，Remeshing选项；在Dynamic Mesh Zones中定义运动区域，在Zone Names下选择rigid wall，在Type中选择Rigid Body，在Preview Mesh Motion中设置预览网格运动；
(4.8)、选择Check Case后进行计算，计算时间根据实际工程中参数设定；其中选择Check Case后进行计算所使用的高温碳化炉全流场计算的三维数学模型，包括有连续性方程、动量方程和能量方程，分别如下所示：
Figure FDA0002779093940000021
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：
Figure FDA0002779093940000022
其中，μ是动力黏度，Fb是微元上的体积力；
能量守恒方程：
Figure FDA0002779093940000023
其中，Cp—比热容，T—温度，k—流体传热系数，ST—粘性耗散项；
(5)、在相同设置条件下，通过将高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的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，由检测面的温度变化云图，利用后处理软件CFD-POST实现丝束加热过程中炉腔内温度场、丝束表面温度场的可视性，直观输出的结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，其特征在于：步骤(1)中对高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型设定的参数包括：马弗腔体几何形状和几何尺寸、进出口密封几何形状和几何尺寸、进出口密封氮气管进口尺寸、氮气管出口尺寸、被加热丝束的几何形状和几何尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，其特征在于：步骤(4)中，选择高温碳化炉马弗腔体流体计算域三维仿真模型的中心点作为检测面，检测面为过中心点的X方向平面，选择丝束表面作为检测面，检测面为过中心点的X方向平面。
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