JP5055851B2 - Local heat transfer coefficient determination program and local heat transfer coefficient determination device - Google Patents
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Description
本発明は、熱処理炉内でガス冷却される被処理材の表面の局所熱伝達率を決定する局所熱伝達決定プログラム及び局所熱伝達率決定装置に関する。 The present invention relates to a local heat transfer determination program and a local heat transfer coefficient determination device for determining a local heat transfer coefficient of a surface of a material to be treated that is gas-cooled in a heat treatment furnace.
ガス冷却による焼入れ処理では、被処理材である金属製品の焼入れ後の寸法精度及び焼入れ性を向上するために、供給ガス流量や供給ガス温度といった冷却条件の適正化が必要である。 In the quenching process by gas cooling, it is necessary to optimize the cooling conditions such as the supply gas flow rate and the supply gas temperature in order to improve the dimensional accuracy and quenchability after quenching of the metal product as the material to be processed.
このような冷却条件の適正値を求めるため、最近では、有限要素法や、有限体積法、差分法といった数値解析手法により焼入れ後の被処理材の歪みを予測する歪み予測シミュレーションが利用されている。歪み予測シミュレーションを利用することで、新しい熱処理プロセスの開発に必要な時間を短縮でき、開発費用を削減できる。 In order to obtain an appropriate value for such a cooling condition, a strain prediction simulation for predicting a strain of a material to be treated after quenching by a numerical analysis method such as a finite element method, a finite volume method, or a difference method is recently used. . By using strain prediction simulation, the time required to develop a new heat treatment process can be shortened and development costs can be reduced.
歪み予測シミュレーションは、境界条件として、被処理材表面の局所熱伝達率を利用する。したがって、歪み予測シミュレーションの精度を向上するためには、精度の高い局所熱伝達率を求める必要がある。 The strain prediction simulation uses a local heat transfer coefficient on the surface of the material to be processed as a boundary condition. Therefore, in order to improve the accuracy of the distortion prediction simulation, it is necessary to obtain a highly accurate local heat transfer coefficient.
高い精度の局所熱伝達率を決定する従来の方法として、熱伝導逆解析を用いた方法(以下、第1の従来技術という)と、非定常熱流動解析を用いた方法(以下、第2の従来技術という)とが知られている。 As a conventional method for determining a high-accuracy local heat transfer coefficient, a method using a heat conduction inverse analysis (hereinafter referred to as a first conventional technique) and a method using an unsteady heat flow analysis (hereinafter referred to as a second technique). (Referred to as prior art).
第1の従来技術は、特許文献1(特開平7−188734号公報)、特許文献2(特開2003−42984号公報)及び非特許文献1(「熱処理変形シミュレーションと冷却」、奈良崎道治、熱処理42巻5号、2002年、第333頁−第340頁)に開示されている。従来技術1では、次の手順により局所熱伝達率を決定する。まず、被処理材の温度変化は、式(2)に示すエネルギ保存式(非定常熱伝導方程式)で表される。
ここで、ρsは被処理材の密度(kg/m3)、Cm,sは被処理材の平均比熱(J/kg/K)、λsは被処理材の熱伝導率(W/m/K)、Tsは被処理材の温度(K)である。各符号の下付添え字のsは固体(Solid)であることを示す。式(2)中の「・」は内積を示し、「∇」は∇≡(∂/∂x,∂/∂y,∂/∂z)で定義される微分演算子である。また、式(2)中のtは時間(s)を示す。 Here, ρ s is the density of the treated material (kg / m 3 ), C m, s is the average specific heat (J / kg / K) of the treated material, and λ s is the thermal conductivity (W / W) of the treated material. m / K), T s is the temperature (K) of the material to be treated. The subscript s in each symbol indicates that it is a solid. In Expression (2), “·” indicates an inner product, and “∇” is a differential operator defined by ∇≡ (∂ / ∂x, ∂ / ∂y, ∂ / ∂z). Moreover, t in Formula (2) shows time (s).
式(2)中の平均比熱Cm,sは、真比熱Csを用いて式(3)で定義される。
この従来技術では、被処理材内部及び表面の温度分布を得るために、数値解析手法を用いる。具体的には、まず、解析対象である被処理材を要素や格子といった微小領域に分割する。次に、式(2)を各領域に離散化し、各領域での温度を算出する。このような数値解析手法では、境界条件として被処理材表面での局所熱伝達率が必要である。局所熱伝達率h(x)(W/m2/K)は式(4)で定義される。 In this prior art, a numerical analysis method is used to obtain the temperature distribution inside and on the surface of the workpiece. Specifically, first, the material to be analyzed is divided into minute regions such as elements and lattices. Next, Formula (2) is discretized in each region, and the temperature in each region is calculated. In such a numerical analysis method, a local heat transfer coefficient on the surface of the material to be processed is required as a boundary condition. The local heat transfer coefficient h (x) (W / m 2 / K) is defined by equation (4).
h(x)≡q(x)/(Tf−Tt,s) (4) h (x) ≡q (x) / (T f −T t, s ) (4)
ここで、q(x)は被処理材の所定表面位置xでの熱流束(W/m2)である。Tfは雰囲気流体の温度(K)であり、ガス冷却の場合、雰囲気流体の温度としてガスの供給温度(以下、供給ガス温度という)が用いられる。Tt,sは時間tにおける被処理材の表面温度である。 Here, q (x) is a heat flux (W / m 2 ) at a predetermined surface position x of the material to be processed. T f is the temperature (K) of the atmospheric fluid, and in the case of gas cooling, a gas supply temperature (hereinafter referred to as supply gas temperature) is used as the temperature of the atmospheric fluid. T t, s is the surface temperature of the workpiece at time t.
熱伝達率は熱伝導率のような物性値ではないため、被処理材の所定表面位置xや冷却条件により異なる値となる。そこで、第1の従来技術では、次の手順により局所熱伝達率h(x)を決定する。
(1)所定の冷却条件で実験を行い、被処理材の1又は複数の所定位置での温度推移データ(冷却曲線)を採取する。つまり、実験により温度データを取得する。
(2)被処理材表面での局所熱伝達率h(x)を仮設定する。仮設定された局所熱伝達率h(x)を用いて式(2)を離散化し、上記所定位置での温度を算出する。つまり、シミュレーションにより温度データを算出する。
(3)同一時刻における所定位置の実験温度データとシミュレーション温度データとを比較し、両者の温度差が許容範囲内となるまで、局所熱伝達率h(x)の仮設定値を変更して繰り返しシミュレーションを実施する。両者の温度差が許容範囲内となったとき、仮設定された局所熱伝達率h(x)を、歪み予測シミュレーションに利用する局所熱伝達率に決定する。
Since the heat transfer coefficient is not a physical property value such as heat conductivity, the heat transfer coefficient varies depending on the predetermined surface position x of the material to be processed and the cooling conditions. Therefore, in the first conventional technique, the local heat transfer coefficient h (x) is determined by the following procedure.
(1) An experiment is performed under predetermined cooling conditions, and temperature transition data (cooling curve) at one or more predetermined positions of the material to be processed is collected. That is, temperature data is acquired by experiment.
(2) Temporarily set a local heat transfer coefficient h (x) on the surface of the workpiece. Formula (2) is discretized using the temporarily set local heat transfer coefficient h (x), and the temperature at the predetermined position is calculated. That is, temperature data is calculated by simulation.
(3) Compare the experimental temperature data and simulation temperature data at a predetermined position at the same time, and change the temporary set value of local heat transfer coefficient h (x) repeatedly until the temperature difference between the two is within the allowable range. Perform a simulation. When the temperature difference between the two is within the allowable range, the temporarily set local heat transfer coefficient h (x) is determined as the local heat transfer coefficient used for the strain prediction simulation.
以上のとおり、第1の従来技術では、予め実験により温度データを測定しておき、数値解析手法に基づくシミュレーションにより得られた温度データと比較して、局所熱伝達率h(x)を決定する。 As described above, in the first prior art, temperature data is measured in advance by experiment, and compared with temperature data obtained by simulation based on a numerical analysis method, the local heat transfer coefficient h (x) is determined. .
しかしながら、第1の従来技術では、局所熱伝達率h(x)を設定するために、必ず実験データを採取しなければならない。また、決定された局所熱伝達率h(x)は、実験データを前提とした値であり、実験時の冷却条件下において最適な値となっている。そのため、採取した実験データと異なる冷却条件の場合、異なる冷却条件下で実験データを新たに採取し、採取された実験データに基づいて、局所熱伝達率h(x)を決定し直さなければならない。つまり、第1の従来技術では、冷却条件を変更するたびに、新たな実験を行わなければならない。 However, in the first prior art, experimental data must be collected in order to set the local heat transfer coefficient h (x). The determined local heat transfer coefficient h (x) is a value based on experimental data, and is an optimal value under cooling conditions during the experiment. Therefore, in the case of cooling conditions different from the collected experimental data, new experimental data must be collected under different cooling conditions, and the local heat transfer coefficient h (x) must be determined again based on the collected experimental data. . That is, in the first conventional technique, a new experiment must be performed every time the cooling condition is changed.
第2の従来技術(非定常熱流動解析による決定方法)は、数値解析手法により、時間進展させながら被処理材表面での熱流束を算出し、算出された熱流束に基づいて局所熱伝達率を決定する。第2の従来技術は、シミュレーションのみにより局所熱伝達率h(x)を決定することが可能であり、第1の従来技術のような実験データは不要である。 The second conventional technique (determination method based on unsteady heat flow analysis) calculates the heat flux on the surface of the material to be processed while progressing time by a numerical analysis method, and calculates the local heat transfer coefficient based on the calculated heat flux. To decide. The second conventional technique can determine the local heat transfer coefficient h (x) only by simulation, and does not require experimental data as in the first conventional technique.
この方法では、被処理材の温度分布を算出するためにエネルギ保存式(2)を用いるとともに、被処理材を囲むガス流れ場の温度分布を算出するために、次に示す質量保存式(5)、運動量保存式(ナヴィエ・ストークスの式)(6)、及び、エネルギ保存式(7)を用いる。なお、ガス密度と圧力との関係、及び、ガス密度と温度との関係の精度を上げるために、これらの式(2)、(5)〜(7)に加えて、気体の状態方程式を利用してもよい。
ここで、ρgはガス密度(kg/m3)、Ugはガス流速(m/s)、pgはガス圧力(Pa)、Tgはガス温度(K)、μgはガスの粘性係数(Pa・s)、Cm,gはガスの平均比熱(J/kg/K)、λgはガスの熱伝導率(W/m/K)であり、各記号中のgはガス(Gas)を示す。ガスの平均比熱Cm,gは、真比熱Cgを用いて式(8)で定義される。
以下、第2の従来技術による局所熱伝達率h(x)の決定方法を図1を参照して説明する。この方法ではまず、冷却条件として供給ガス温度Tg,in、供給ガスの質量流速Gin(及び供給ガス組成)を設定する(S101)。このとき、非定常熱流動解析の計算終了時間tmaxも設定する。計算終了時間tmaxは、例えばガス冷却開始から終了までの時間と同じ時間とする。 Hereinafter, a method for determining the local heat transfer coefficient h (x) according to the second prior art will be described with reference to FIG. In this method, first, supply gas temperature T g, in and supply gas mass flow rate G in (and supply gas composition) are set as cooling conditions (S101). At this time, the calculation end time t max of the unsteady heat flow analysis is also set. The calculation end time t max is, for example, the same time as the time from the start to the end of gas cooling.
続いて、時間ステップn=0とし、時間ステップn(=0)でのガス流速Ug n、ガス圧力pg n、ガス温度Tg n、及び被処理材温度Ts nを設定する(S102)。つまり、初期時間ステップ(n=0)におけるUg n、pg n、Tg n、及びTs nの初期値を設定する。 Subsequently, the time step n = 0, sets the gas flow velocity U g n, the gas pressure p g n, the gas temperature T g n, and the treated material temperature T s n at time step n (= 0) (S102 ). In other words, the initial value of the U g n, p g n, T g n, and T s n at an initial time step (n = 0).
設定後、ガス流速Ug n、ガス圧力pg n、ガス温度Tg n、被処理材温度Ts n、及び、被処理材の所定表面位置xでの局所熱伝達率h(x)の時刻歴応答解析(非定常熱流動解析)を実施する(S103〜S107)。具体的には、時間t=t+Δtとし(S103)、式(2)及び式(5)〜式(7)を用いて数値解析手法に基づくシミュレーションを行う。その結果、時間ステップnからΔt経過した時間ステップn+1でのガス流れ場におけるガス流速Ug n+1、ガス圧力pg n+1及びガス温度Tg n+1の分布と、被処理材温度Ts n+1の分布とが算出される(S104)。これにより、時間ステップn+1における被処理材内の温度分布及び被処理材表面近傍の境界層内の温度分布が得られる。 After setting, the gas flow rate U g n , gas pressure p g n , gas temperature T g n , material temperature T sn to be processed , and local heat transfer coefficient h (x) at a predetermined surface position x of the material to be processed Time history response analysis (unsteady heat flow analysis) is performed (S103 to S107). Specifically, simulation is performed based on a numerical analysis method using time t = t + Δt (S103) and using equations (2) and (5) to (7). As a result, the distribution of the gas flow rate U g n + 1 , the gas pressure p g n + 1 and the gas temperature T g n + 1 in the gas flow field at the time step n + 1 when Δt has elapsed from the time step n, and the material temperature to be processed The distribution of T s n + 1 is calculated (S104). Thereby, the temperature distribution in the material to be processed at time step n + 1 and the temperature distribution in the boundary layer near the surface of the material to be processed are obtained.
ステップS104で得られた温度分布に基づいて、時間ステップn+1における局所熱伝達率h(x)を算出する(S105)。 Based on the temperature distribution obtained in step S104, the local heat transfer coefficient h (x) at time step n + 1 is calculated (S105).
所定表面位置xでの熱流束q(x)は式(9)を満たす。
ここで、n(x)は、所定表面位置xにおける法線ベクトルである。ステップS104で得られたTs又はTgの温度分布データを用いて、式(9)より熱流束q(x)を算出する。算出された熱流束q(x)を式(4)に代入して、所定表面位置xでの局所熱伝達率h(x)を求める。 Here, n (x) is a normal vector at the predetermined surface position x. The heat flux q (x) is calculated from Equation (9) using the temperature distribution data of T s or T g obtained in step S104. The calculated heat flux q (x) is substituted into equation (4) to determine the local heat transfer coefficient h (x) at the predetermined surface position x.
算出後、ステップS103で設定された時間tが計算終了時間tmaxに達していない場合(S106でNO)、nをインクリメントしてn=n+1とする。このとき、Ug n=Ug n+1、pg n=pg n+1、Tg n=Tg n+1、びTs n=Ts n+1に設定する(S107)。設定後、ステップS103に戻る。要するに、時間tが計算終了時間tmaxに達するまで、シミュレーションを繰り返す。 After the calculation, when the time t set in step S103 has not reached the calculation end time tmax (NO in S106), n is incremented to n = n + 1. At this time, U g n = U g n + 1 , p g n = p g n + 1 , T g n = T g n + 1 , and T s n = T s n + 1 are set (S107). After setting, the process returns to step S103. In short, the simulation is repeated until the time t reaches the calculation end time tmax .
このように第2の従来技術は、実験データを使用しない。そのため、冷却条件を変更するごとに実験データを採取する必要がない。さらに、被処理材の表面形状が複雑であっても精度の高い局所熱伝達率h(x)を得ることができる。 Thus, the second prior art does not use experimental data. Therefore, it is not necessary to collect experimental data every time the cooling condition is changed. Furthermore, even if the surface shape of the material to be processed is complicated, a highly accurate local heat transfer coefficient h (x) can be obtained.
しかしながら、この第2の従来技術は、時刻歴応答解析を実施するため、1つの冷却条件における計算結果を得るのに多大な時間を必要とする。さらに、先に設定された冷却条件と異なる他の冷却条件での局所熱伝達率h(x)を決定する場合(図1中のS108でYES)、ステップS101に戻って時刻歴応答解析を再び最初から実施しなければならない。そのため、冷却条件を変更するごとに、多大な時間をかけて非定常熱流動計算を行わなければならない。
本発明の目的は、実験データを必要とせず、かつ、冷却条件を変更しても短時間で局所熱伝達率を決定できる局所熱伝達率決定プログラム及び局所熱伝達率決定装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a local heat transfer coefficient determination program and a local heat transfer coefficient determination device that do not require experimental data and can determine the local heat transfer coefficient in a short time even if the cooling conditions are changed. is there.
本発明による局所熱伝達率決定プログラムは、熱処理炉内にガスを供給して被処理材を冷却するガス冷却における被処理材表面の局所熱伝達率の決定をコンピュータに実行させる。局所熱伝達プログラムは、熱処理炉内の空間のうち、被処理材を囲む所定範囲のガス流れ場領域を計算領域に設定するステップと、供給ガス温度と、供給ガス質量流速と、被処理材表面温度とを含む基準冷却条件を設定するステップと、基準冷却条件に基づいて、数値解析手法により計算領域の定常熱流動解析を行うステップと、定常熱流動解析の結果に基づいて、基準冷却条件における被処理材の所定表面位置xでの基準局所熱伝達率href(x)を求めるステップと、供給ガス温度、供給ガス質量流速及び被処理材表面温度のうちの少なくとも1つが基準冷却条件と異なる対象冷却条件を設定するステップと、基準局所熱伝達率href(x)を求めた後、基準冷却条件により決定される基準平均熱伝達率hmrefと、対象冷却条件により決定される対象平均熱伝達率hmと、基準局所熱伝達率href(x)と、対象冷却条件における所定表面位置xでの対象局所熱伝達率h(x)とが、式(1)を満たすように、対象局所熱伝達率h(x)を決定するステップとをコンピュータに実行させる。 The local heat transfer coefficient determination program according to the present invention causes a computer to determine the local heat transfer coefficient on the surface of a material to be processed in gas cooling in which gas is supplied into a heat treatment furnace to cool the material to be processed. The local heat transfer program includes a step of setting a gas flow field region in a predetermined range surrounding the material to be processed in the space in the heat treatment furnace as a calculation region, a supply gas temperature, a supply gas mass flow rate, a surface of the material to be processed A step of setting a reference cooling condition including the temperature, a step of performing a steady heat flow analysis of the calculation region by a numerical analysis method based on the reference cooling condition, and a step in the reference cooling condition based on the result of the steady heat flow analysis. A step of obtaining a reference local heat transfer coefficient h ref (x) at a predetermined surface position x of the workpiece, and at least one of a supply gas temperature, a supply gas mass flow rate, and a workpiece surface temperature is different from the reference cooling condition. setting a target cooling condition, after obtaining the reference local heat transfer coefficient h ref (x), and the reference average heat transfer coefficient hm ref determined by the reference cooling conditions, pair is determined by the target cooling conditions And average heat transfer coefficient hm, the reference local heat transfer coefficient h ref (x), a target local heat transfer coefficient h (x) at a predetermined surface position x in the target cooling conditions, so as to satisfy the equation (1), And determining a target local heat transfer coefficient h (x).
h(x)/hm=href(x)/hmref (1) h (x) / hm = h ref (x) / hm ref (1)
好ましくは、本発明による局所熱伝達率決定プログラムはさらに、ガスの粘性係数、ガスの比熱及びガスの熱伝導率を含む複数のガス物性値を複数の温度と対応付けて物性値データベースに登録するステップを備える。対象局所熱伝達率h(x)を決定するステップは、基準冷却条件で所定表面位置x上に形成される乱流境界層の基準膜温度と、対象冷却条件で所定表面位置x上に形成される乱流境界層の対象膜温度とを求めるステップと、基準膜温度に対応する基準ガス物性値と、対象膜温度に対応する対象ガス物性値とを物性値データベースから取得するステップとを含む。対象局所熱伝達率h(x)を決定するステップは、取得された基準ガス物性値に基づいて決定される基準平均熱伝達率hmrefと、取得された対象ガス物性値に基づいて決定される対象平均熱伝達率hmとが、式(1)を満たすように、対象局所熱伝達率h(x)を決定する。 Preferably, the local heat transfer coefficient determination program according to the present invention further registers a plurality of gas property values including a gas viscosity coefficient, a specific heat of the gas, and a heat conductivity of the gas in a property value database in association with a plurality of temperatures. Comprising steps. The step of determining the target local heat transfer coefficient h (x) is formed on the predetermined surface position x under the target cooling condition and the reference film temperature of the turbulent boundary layer formed on the predetermined surface position x under the reference cooling condition. Determining a target film temperature of the turbulent boundary layer, obtaining a reference gas property value corresponding to the reference film temperature, and a target gas property value corresponding to the target film temperature from a property value database. The step of determining the target local heat transfer coefficient h (x) is determined based on the reference average heat transfer coefficient hm ref determined based on the acquired reference gas physical property value and the acquired target gas physical property value. The target local heat transfer coefficient h (x) is determined so that the target average heat transfer coefficient hm satisfies the formula (1).
ガス冷却では、ガス流れ場が完全発達乱流となる。そのため、ガス流量及びガス温度といった冷却条件が多少変更されても、マクロな流れ場形状は常に相似となる。その結果、被処理材の所定表面位置での局所熱伝達率の分布形状も、冷却条件に依存せず、ほぼ一定となる。本発明による局所熱伝達率決定プログラムは、局所熱伝達率の分布形状が冷却条件に依存せず相似となる点を利用する。具体的には、ガス冷却では、相似則に基づいて式(1)が成立する。したがって、基準冷却条件時における基準局所熱伝達率href(x)を定常熱流動解析により求めておけば、冷却条件が変更されても、変更された冷却条件における対象局所熱伝達率h(x)を、式(1)に基づいて短時間で決定することができる。つまり、従来のように冷却条件を変更するごとに、実験データを取得したり、時間のかかる熱流動解析を行ったりする必要がない。 In gas cooling, the gas flow field becomes a fully developed turbulent flow. Therefore, even if the cooling conditions such as the gas flow rate and the gas temperature are slightly changed, the macro flow field shape is always similar. As a result, the distribution shape of the local heat transfer coefficient at the predetermined surface position of the material to be processed is also substantially constant without depending on the cooling condition. The local heat transfer coefficient determination program according to the present invention uses the point that the distribution shape of the local heat transfer coefficient is similar without depending on the cooling condition. Specifically, in gas cooling, equation (1) is established based on the similarity law. Therefore, if the reference local heat transfer coefficient h ref (x) at the reference cooling condition is obtained by steady heat flow analysis, even if the cooling condition is changed, the target local heat transfer coefficient h (x ) Can be determined in a short time based on equation (1). That is, it is not necessary to acquire experimental data or perform a time-consuming heat flow analysis every time the cooling conditions are changed as in the prior art.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[本発明による局所熱伝達率の決定方法] [Method for determining local heat transfer coefficient according to the present invention]
初めに、本発明による局所熱伝達率の決定方法の概略を説明する。 First, the outline of the method for determining the local heat transfer coefficient according to the present invention will be described.
ガス冷却時のガスの流れは高速であるため、ガスの流れ場は完全発達乱流となっていると考えられる。完全発達乱流では、ガス流量及びガス温度が多少変更されても、マクロな流れ場形状は相似となることが知られている。 Since the gas flow during gas cooling is high-speed, the gas flow field is considered to be a fully developed turbulent flow. In fully developed turbulence, it is known that the macro flow field shape is similar even if the gas flow rate and gas temperature are slightly changed.
このように、マクロな流れ場形状が相似となる流れ場においては、被処理材表面の局所熱伝達率の分布も、ガス流量、ガス温度、表面温度といった冷却条件の変化に依存せずほぼ相似となる。以下、この点について実験結果を踏まえて説明する。 In this way, in the flow field where the macro flow field shape is similar, the distribution of the local heat transfer coefficient on the surface of the material to be processed is almost similar without depending on the change in cooling conditions such as gas flow rate, gas temperature, and surface temperature. It becomes. Hereinafter, this point will be described based on experimental results.
中心軸から外周面までの断面形状が図2に示す形状となる自動車用アウトプットギアブランク材を被処理材に想定し、コンピュータを用いて、図3に示す計算領域に対して熱流動解析を行った。このとき、被処理材の温度は一定とし、被処理材を除くガス流れ場領域のみを計算領域とした。また、ガス流れ場が定常状態であると仮定して、計算領域の定常熱流動解析を行った。 Assuming that the output gear blank material for automobiles whose cross-sectional shape from the central axis to the outer peripheral surface is the shape shown in FIG. 2 is a material to be processed, heat flow analysis is performed on the calculation region shown in FIG. 3 using a computer. went. At this time, the temperature of the material to be processed was constant, and only the gas flow field region excluding the material to be processed was used as the calculation region. In addition, assuming that the gas flow field is in a steady state, a steady heat flow analysis in the calculation domain was performed.
定常熱流動解析では、式(5)〜(7)の時間微分項を消去した式(10)〜(12)を用い、これらの式(10)〜(12)を離散化した式を求解した。
冷却条件は表1に示す冷却条件1〜7とし、それぞれの冷却条件について定常熱流動解析を行った。
表1中の供給ガス質量流速比Gin/Gin1は、冷却条件1の供給ガス質量流速Gin1に対する各冷却条件の供給ガス質量流速Ginの比である。また、供給ガス流速比Ug,in/Ug,in1は冷却条件1の供給ガス流速Ug,in1に対する各冷却条件の供給ガス流速Ug,inの比である。供給ガス質量流速Gin1は、339(kg/(m2/s))とし、供給ガス流速Ug,in1は、10(m/s)とした。また、各冷却条件での被処理材表面温度Twは、3種類(冷却条件5〜7)又は4種類(冷却条件1〜4)準備した。
Feed gas mass flow rate ratio in Table 1 G in / G in1 is the ratio of the feed gas mass flow rate G in the respective cooling conditions for supplying gas mass flow rate G in1 of
表1中の各冷却条件で定常熱流動解析を行い、図2中の被処理材の各所定表面位置x(upper1〜4,outside1〜3,lower1〜6,inside1)の局所熱伝達率h(x)及び平均熱伝達率hmを算出した。具体的には、式(10)〜式(12)に基づいて所定表面位置x上の境界層内の温度分布を求め、求めた温度分布を用いて式(9)及び式(4)に基づいて局所熱伝達率h(x)を求めた。また、求めた局所熱伝達率h(x)に基づいて、平均熱伝達率hmを算出した。なお式(4)ではTt,s=Twとして、局所熱伝達率h(x)を求めた。 A steady heat flow analysis is performed under each cooling condition in Table 1, and the local heat transfer coefficient h () of each predetermined surface position x (upper1 to 4, outside1 to 3, lower1 to 6, inside1) of the material to be treated in FIG. x) and average heat transfer coefficient hm were calculated. Specifically, the temperature distribution in the boundary layer on the predetermined surface position x is obtained based on the equations (10) to (12), and based on the equations (9) and (4) using the obtained temperature distribution. Thus, the local heat transfer coefficient h (x) was obtained. Further, the average heat transfer coefficient hm was calculated based on the obtained local heat transfer coefficient h (x). In Equation (4), the local heat transfer coefficient h (x) was obtained with T t, s = T w .
算出された局所熱伝達率h(x)及び平均熱伝達率hmに基づいて、局所熱伝達率分布の相似性を評価した。 Based on the calculated local heat transfer coefficient h (x) and the average heat transfer coefficient hm, the similarity of the local heat transfer coefficient distribution was evaluated.
まず、被処理材の温度変化に対する熱伝達率分布の相似性について説明する。図4は冷却条件1で被処理材表面温度を1123(K)、923(K)、723(K)、523(K)とした場合の平均熱伝達率hmを示し、図5は被処理材表面温度を1123(K)、923(K)、723(K)、523(K)とした場合の各所定表面位置xにおける平均熱伝達率hmに対する局所熱伝達率h(x)の比(h(x)/hm:以下、無次元局所熱伝達率(−)という)を示す。
First, the similarity of the heat transfer coefficient distribution with respect to the temperature change of the material to be processed will be described. 4 shows the average heat transfer coefficient hm when the surface temperature of the material to be treated is 1123 (K), 923 (K), 723 (K), and 523 (K) under the
図4及び図5を参照して、平均熱伝達率hmは被処理材の表面温度に依存してその値が変化した(図4)。これに対し、各所定表面位置xにおける無次元局所熱伝達率は、被処理材表面温度の変化に依存せず、ほぼ一定であった(図5)。つまり、被処理材の表面温度の変化に対して局所熱伝達率h(x)の分布形状は常に相似であった。 4 and 5, the average heat transfer coefficient hm changed depending on the surface temperature of the material to be treated (FIG. 4). On the other hand, the dimensionless local heat transfer coefficient at each predetermined surface position x was substantially constant without depending on the change in the surface temperature of the material to be processed (FIG. 5). That is, the distribution shape of the local heat transfer coefficient h (x) was always similar to the change in the surface temperature of the material to be treated.
次に、供給ガス温度Tg,in、供給ガス質量流速Gin、供給ガス流速Ug,inの変化に対する局所熱伝達率h(x)の分布形状の相似性について説明する。図6は被処理材の表面温度を1123Kとした場合の各冷却条件1〜7における平均熱伝達率hmを示し、図7は被処理材の表面温度を1123Kとした場合の各冷却条件1〜7における各所定表面位置xでの無次元局所熱伝達率を示す。
Next, the similarity of the distribution shape of the local heat transfer coefficient h (x) to changes in the supply gas temperature T g, in , the supply gas mass flow rate G in , and the supply gas flow rate U g, in will be described. FIG. 6 shows the average heat transfer coefficient hm in each of the
図6及び図7を参照して、平均熱伝達率hmは冷却条件に依存してその値が変化したが(図6)、各所定表面位置xにおける無次元局所熱伝達率h(x)は、冷却条件に依存せずほぼ一定であった(図7)。つまり、冷却条件の変化に対して局所熱伝達率h(x)の分布形状は常に相似であった。 6 and 7, the average heat transfer coefficient hm varies depending on the cooling conditions (FIG. 6), but the dimensionless local heat transfer coefficient h (x) at each predetermined surface position x is It was almost constant regardless of the cooling conditions (FIG. 7). That is, the distribution shape of the local heat transfer coefficient h (x) was always similar to the change in cooling conditions.
以上の結果より、局所熱伝達率h(x)の分布形状、すなわち無次元局所熱伝達率は、冷却条件に依存せず、ほぼ一定となる。したがって、代表的な冷却条件(以下、基準冷却条件という)における平均熱伝達率(以下、基準平均熱伝達率という)hmref及び局所熱伝達率(以下、基準局所熱伝達率という)href(x)と、基準冷却条件と異なる冷却条件(以下、対象冷却条件という)の平均熱伝達率(以下、対象平均熱伝達率という)hm及び局所熱伝達率(以下、対象局所熱伝達率という)h(x)とは、以下の式(1)の関係を有する。 From the above results, the distribution shape of the local heat transfer coefficient h (x), that is, the dimensionless local heat transfer coefficient, is almost constant without depending on the cooling condition. Therefore, the average heat transfer coefficient (hereinafter referred to as the reference average heat transfer coefficient) hm ref and the local heat transfer coefficient (hereinafter referred to as the reference local heat transfer coefficient) h ref ( x) and the average heat transfer coefficient (hereinafter referred to as the target average heat transfer coefficient) hm and the local heat transfer coefficient (hereinafter referred to as the target local heat transfer coefficient) under the cooling conditions different from the reference cooling conditions (hereinafter referred to as the target cooling conditions). h (x) has the relationship of the following formula (1).
href(x)/hmref=h(x)/hm (1) h ref (x) / hm ref = h (x) / hm (1)
本発明では、冷却条件を変化させたとき、上述の式(1)に基づいて、対象局所熱伝達率h(x)を決定する。つまり、本発明では、予め基準冷却条件での基準局所熱伝達率href(x)を求めておき、冷却条件を変更したとき、基準局所熱伝達率href(x)を利用して、式(1)より対象熱伝達率h(x)を算出する。これにより、本発明では、冷却条件を変更するごとに実験データを採取する必要はなく、かつ、冷却条件を変更するごとに数値解析手法による熱流動解析を行う必要もなくなる。 In the present invention, when the cooling condition is changed, the target local heat transfer coefficient h (x) is determined based on the above equation (1). That is, in the present invention, the reference local heat transfer coefficient h ref (x) under the reference cooling condition is obtained in advance, and when the cooling condition is changed, the reference local heat transfer coefficient h ref (x) is used to obtain the equation The target heat transfer coefficient h (x) is calculated from (1). Thus, in the present invention, it is not necessary to collect experimental data every time the cooling condition is changed, and it is not necessary to perform a heat flow analysis by a numerical analysis method every time the cooling condition is changed.
[対象局所熱伝達率換算式] [Target local heat transfer coefficient conversion formula]
以下、上述の式(1)に基づいて、対象局所熱伝達率h(x)を決定するための換算式について説明する。平均熱伝達率hmの近似関数は、式(13)で表されることが知られている。
ここで、Prはプラントル数、Reはレイノルズ数である。Lは代表寸法であり、本実施の形態では被処理材の外径寸法に対応する。Tbは、所定表面位置x上に形成される乱流境界層の平均温度(以下、膜温度という)である。μG(Tb)は、膜温度Tbにおけるガス粘性係数である。Cg(Tb)は、膜温度Tbにおけるガス比熱である。λg(Tg,in)は、供給ガス温度Tg,inにおけるガスの熱伝導率である。これらのガス物性値(粘性係数、比熱、熱伝導率)は温度に依存する。そのため、本実施の形態では、供給ガス温度Tg,in及び膜温度Tbに対応したガス物性値を利用する。 Here, Pr is the Prandtl number and Re is the Reynolds number. L is a representative dimension and corresponds to the outer diameter dimension of the material to be treated in the present embodiment. T b is an average temperature of the turbulent boundary layer formed on the predetermined surface position x (hereinafter referred to as film temperature). μ G (T b ) is a gas viscosity coefficient at the film temperature T b . C g (T b ) is the gas specific heat at the film temperature T b . λ g (T g, in ) is the thermal conductivity of the gas at the supply gas temperature T g, in . These gas physical properties (viscosity coefficient, specific heat, thermal conductivity) depend on temperature. Therefore, in the present embodiment, gas property values corresponding to the supply gas temperature T g, in and the film temperature T b are used.
膜温度Tbは以下の式(14)により定義される。
式(13)中のα及びmは、近似関数の作成時に同定される係数である。 Α and m in equation (13) are coefficients identified when the approximate function is created.
一般的に、乱流場におけるレイノルズ数Reの指数mは0.8程度であるため、本実施の形態でもm=0.8としてもよい。また、予め複数の冷却条件で定常熱流動解析を行って、その結果を利用してα及びmを求めても良い。図8及び図9は、上記各冷却条件1〜7で定常熱流動解析を行った結果得られた平均熱伝達率hm(図中の点)と、式(13)の近似関数(実線)とをプロットした図である。図8は式(13)のαを0.0286、mを0.8478とし、図9は式(13)中のα=0.0592とし、かつ、乱流時の一般的な指数としてm=0.8としている。いずれの近似関数も近似の精度が高いと言える。
Generally, since the exponent m of the Reynolds number Re in the turbulent flow field is about 0.8, m = 0.8 may also be used in this embodiment. Alternatively, steady heat flow analysis may be performed in advance under a plurality of cooling conditions, and α and m may be obtained using the results. 8 and 9 show the average heat transfer coefficient hm (points in the figure) obtained as a result of the steady heat flow analysis under the
式(13)に基づいて、基準冷却条件における平均熱伝達率hmrefは以下の式(15)で示される。
ここで、Tg,in,refは、基準供給ガス温度である。Gin,refは、基準供給ガス質量流速である。また、Tb,refは基準冷却条件時の基準膜温度であり、式(14)に基づいて以下の式(16)で示される。
ここで、Tw,refは基準被処理材表面温度である。 Here, T w, ref is the reference material surface temperature.
供給ガス温度、供給ガス質量流速、被処理材表面温度のうちの少なくとも1つが基準冷却条件と異なる対象冷却条件における局所熱伝達率h(x)の決定式は、式(1)、式(13)〜式(16)に基づいて、以下の式(17)となる。
以上より、定常熱流動解析により基準冷却条件における局所熱伝達率href(x)を算出しておけば、基準冷却条件と異なる対象冷却条件における局所熱伝達率h(x)を、式(1)から導いた式(17)により容易に決定することができる。 From the above, if the local heat transfer coefficient h ref (x) in the reference cooling condition is calculated by steady heat flow analysis, the local heat transfer coefficient h (x) in the target cooling condition different from the reference cooling condition is expressed by the equation (1). ) Can be easily determined by equation (17) derived from
以下、本実施の形態による局所熱伝達率決定装置について説明する。 Hereinafter, the local heat transfer coefficient determination device according to the present embodiment will be described.
[全体構成] [overall structure]
図10を参照して、本実施の形態による局所熱伝達率決定装置は1は、記憶部10と、冷却条件設定部11と、計算領域設定部12と、定常熱流動解析部13と、基準局所熱伝達率算出部14と、対象局所熱伝達率決定部15とを備える。
Referring to FIG. 10, the local heat transfer
記憶部10は、図11に示す物性値データベース16を記憶する。物性値データベース16には、ガス物性値が温度と対応して登録される。物性値データベース16は、温度を登録するためのフィールドと、ガス冷却に利用する供給ガスの粘性係数を登録するためのフィールドと、ガスの比熱を登録するためのフィールドと、ガスの熱伝導率を登録するためのフィールドとを備える。これらのガス物性値は、対象局所熱伝達率h(x)を決定するときに利用される。
The
冷却条件設定部11は、ユーザ操作に応じて基準冷却条件及び対象冷却条件を設定する。上述のとおり、基準冷却条件は基準局所熱伝達率href(x)を算出するときに設定される冷却条件であり、基準供給ガス質量流速Gin,ref、基準供給ガス温度Tg,in,ref、基準被処理材表面温度Tw,refとを含む。対象冷却条件は対象局所熱伝達率を決定するときに設定される冷却条件であり、供給ガス質量流量Ginと、供給ガス温度Tg,inと、被処理材表面温度Twとを含む。 The cooling condition setting unit 11 sets a reference cooling condition and a target cooling condition according to a user operation. As described above, the reference cooling condition is a cooling condition set when calculating the reference local heat transfer coefficient h ref (x). The reference supply gas mass flow rate G in, ref , the reference supply gas temperature T g, in, ref and the reference material surface temperature Tw, ref . The target cooling condition is a cooling condition set when determining the target local heat transfer coefficient, and includes a supply gas mass flow rate G in , a supply gas temperature T g, in, and a surface temperature T w of the workpiece.
計算領域設定部12は、定常熱流動解析を行うための計算領域を設定する。具体的には、ユーザ操作に応じて入力されたガス流れ場領域の寸法、被処理材の形状寸法及びガス流れ場領域内での被処理材の配置位置等の情報に基づいて、計算領域を設定する。 The calculation area setting unit 12 sets a calculation area for performing steady heat flow analysis. Specifically, based on information such as the dimensions of the gas flow field region, the shape dimensions of the material to be processed, and the arrangement position of the material to be processed in the gas flow field region, which are input according to the user operation, the calculation region is determined. Set.
計算領域設定部12は入力された情報に基づいて、熱処理炉内の領域のうち、被処理材を囲む所定範囲のガス流れ場領域を計算領域に設定する。すなわち、被処理材を除く所定範囲のガス流れ場領域のみを計算領域に設定する。計算領域設定部12はさらに、計算領域を複数の微小領域に分割する。 Based on the input information, the calculation region setting unit 12 sets a gas flow field region in a predetermined range surrounding the material to be processed among the regions in the heat treatment furnace as the calculation region. That is, only the gas flow field region in a predetermined range excluding the material to be processed is set as the calculation region. The calculation area setting unit 12 further divides the calculation area into a plurality of minute areas.
定常熱流動解析部13は、分割された計算領域に対して、基準冷却条件における定常熱流動解析を行う。具体的には、基準冷却条件に基づいて、式(10)〜式(12)を離散化して求解し、各格子点(微小領域)におけるガス温度Tgを算出する。これにより、基準冷却条件時における被処理材表面近傍の乱流境界層内のガス温度分布が得られる。
The steady heat
基準局所熱伝達率算出部14は、定常熱流動解析により得られた結果に基づいて、式(9)及び式(4)より、基準局所熱伝達率href(x)を算出する。
The reference local heat transfer
対象局所熱伝達率決定部15は、対象冷却条件が設定されたとき、算出された基準局所熱伝達率href(x)を利用して、式(1)を満たす対象局所熱伝達率h(x)を求める。
When the target cooling condition is set, the target local heat transfer
図12は、コンピュータ装置20のハードウェア構成を示すブロック図である。コンピュータ装置20は、ハードディスクドライブ(HDD)21と、メモリ23と、CPU24と、ディスプレイ25と、入力部26とを備える。HDD21は、局所熱伝達率決定プログラム22を記憶する。HDD21はさらに、物性値データベース16を記憶する。局所熱伝達率決定プログラム22をメモリ23にロードし、CPU24に実行させることで、コンピュータ装置20は局所熱伝達率決定装置1として機能する。このとき、記憶部10はHDD21及びメモリ23に相当する。冷却条件設定部11、計算領域設定部12、定常熱流動解析部13、基準局所熱伝達率算出部14及び対象局所熱伝達率決定部15はCPU24に相当する。基準冷却条件、対象冷却条件及び計算領域を設定するために必要な情報等は、ユーザ操作に基づいて入力部26により入力される。決定された対象熱伝達率h(x)は、ディスプレイ25に表示される。
FIG. 12 is a block diagram illustrating a hardware configuration of the
[動作フロー] [Operation flow]
次に、局所熱伝達率決定装置1(以下、単に決定装置1という)による対象局所熱伝達率h(x)の決定処理について説明する。 Next, the process for determining the target local heat transfer coefficient h (x) by the local heat transfer coefficient determining apparatus 1 (hereinafter simply referred to as the determining apparatus 1) will be described.
図13を参照して、決定装置1は初めに、計算領域を設定する(S1)。具体的には、決定装置1は、ユーザが入力部26を用いて入力した被処理材の寸法、ガス流れ場領域の寸法、及び被処理材の配置位置等の情報に基づいて、被処理材を囲む所定範囲内のガス流れ場領域を計算領域に設定する。計算領域を設置後、決定装置1は、入力部26により入力された格子点数データに基づいて、計算領域を複数の微小領域に分割する。
With reference to FIG. 13, the
続いて、決定装置1は基準局所熱伝達率href(x)を算出する(基準熱伝達率算出処理:S2)。基準熱伝達率算出処理ではまず、基準冷却条件として、供給ガス温度Tg,in,ref、供給ガス質量流速Gin,ref及び被処理材表面温度Tw,refを設定する(S21)。基準冷却条件は、ユーザ操作に基づいて入力部26により入力される。
Subsequently, the determining
基準冷却条件が設定された後、決定装置1は、基準冷却条件に基づいて計算領域に対して数値解析手法による定常熱流動解析を行う(S22)。このとき、決定装置1は、被処理材の表面温度はTw,refで一様であると仮定し、ガス流れ場のみの定常熱流動解析を行う。具体的には、式(10)〜式(12)を離散化した式の求解を行い、各微小領域でのガス流速Ug、ガス圧力Pg、ガス温度Tgを算出する。算出された各微小領域のガス流速Ug、ガス圧力Pg及びガス温度Tgは、各微小領域の識別データに対応付けて記憶部10に記憶される。
After the reference cooling condition is set, the
解析後、記憶部10に記憶されたガス温度Tgを用いて、被処理材の所定表面位置xにおける基準熱伝達率href(x)を算出する(S23)。決定装置1はまず、ステップS22で得られたガス温度Tgの分布のうち、所定表面位置x上の乱流境界層を構成する各微小領域のガス温度Tgを記憶部10から読み出す。決定装置1は、読み出されたガス温度Tgを用いて、式(9)に基づいて所定表面位置xでの熱流束q(x)を算出する。決定装置1は、算出された熱流束q(x)を用いて、式(4)に基づいて基準局所熱伝達率href(x)を算出する。このとき、式(4)中のTfには基準冷却条件内の供給ガス温度Tg,in,refを代入し、式(4)中のTt,sには、被処理材表面温度Tw,refを代入する。算出された基準局所熱伝達率href(x)は記憶部10に格納される。
After the analysis, the reference heat transfer coefficient h ref (x) at the predetermined surface position x of the material to be processed is calculated using the gas temperature T g stored in the storage unit 10 (S23). Determining
決定装置1はさらに、供給ガス温度Tg,in,refを用いて、式(16)に基づいて基準膜温度Tb,refを算出し、記憶部10に格納する(S24)。基準膜温度Tb,refは、対象局所熱伝達率h(x)の算出に利用される。
The
以上の動作により、決定装置1は、基準冷却条件における基準局所熱伝達率href(x)を決定する。基準局所熱伝達率href(x)を算出後、冷却条件を基準冷却条件から対象冷却条件に変更する場合、決定装置1は、対象局所熱伝導率決定処理を実行する(S3)。
With the above operation, the
対象局所熱伝導率決定処理では、決定装置1はまず、対象冷却条件を設定する(S31)。ユーザ操作に応じて入力部26により対象供給ガス温度Tg,in、対象供給ガス質量流速Gin、対象被処理材表面温度Twが入力され、対象冷却条件が設定される。
In the target local thermal conductivity determination process, the
対象冷却条件を設定後、決定装置1は、設定された対象冷却条件に基づいて、対象冷却条件における膜温度(対象膜温度)Tbを算出する(S32)。決定装置1は、対象供給ガス温度Tg,in及び対象被処理材表面温度Twを用いて、式(14)により対象膜温度Tbを算出する。算出された対象膜温度Tbは記憶部10に格納される。
After setting the target cooling condition, the
続いて、決定装置1は、基準膜温度Tb,refに対応する基準ガス物性値と、対象膜温度Tbに対応する対象ガス物性値とを物性値データベース16から読み出す(S33)。決定装置1は、物性値データベース16内の温度フィールドを参照し、基準膜温度Tb,refに対応する温度と同じレコードに含まれる粘性係数μg(Tb,ref)、ガス比熱Cg(Tb,ref)、熱伝導率λ(Tb,ref)を読み出す。決定装置1はまた、物性値データベース16から、基準ガス温度Tg,in,refに対応する熱伝導率λ(Tg,in,ref)を読み出す。決定装置1はさらに、物性値データベース16から、対象膜温度Tbに対応するμg(Tb)、Cg(Tb)及びλ(Tb)と、対象ガス温度Tg,inに対応するλ(Tg,in)とを読み出す。
Subsequently, the determining
物性値を読み出した後、決定装置1は、式(1)を満たすように、対象局所熱伝達率h(x)を算出する(S34)。具体的には、決定装置1は、記憶部10に格納されている基準局所熱伝達率href(x)を読み出し、ステップS33で読み出された物性値と基準熱伝達率href(x)とを用いて、式(17)により対象局所熱伝達率h(x)を決定する。式(17)中の指数mの値は予め記憶部10に格納されている。指数m値は乱流における一般的な値である0.8でもよいし、図8のように、事前に定常熱流動解析された結果に基づいて得られた近似関数の指数m値(たとえば、m=0.8478)を利用してもよい。算出された対象局所熱伝達率h(x)は記憶部10に格納され、ディスプレイ25に表示される。
After reading the physical property values, the determining
ユーザが、先の対象冷却条件と異なる他の対象冷却条件での対象局所熱伝達率h(x)を求める場合(S4でYES)、決定装置1はステップS3の動作を再度実行する。つまり、ステップS2における定常熱流動解析を再度実行する必要がなく、定常熱流動解析に必要な時間を省略できる。決定装置1は、記憶部10に既に登録されている基準熱伝達率href(x)及び物性値データベース16内の物性値を用いて、ステップS3の動作により対象熱伝達率h(x)を短時間で決定できる(S3)。
When the user obtains the target local heat transfer coefficient h (x) under another target cooling condition different from the previous target cooling condition (YES in S4), the
以上のとおり、本実施の形態による決定装置1は、ガス炉内の流れ場では式(1)が成立することを利用するため、基準局所熱伝達率href(x)を使って対象熱伝達率h(x)を短時間で算出できる。そのため、決定装置1は、従来のように冷却条件を変更するごとに、熱流動解析を実行したり、実験データを取得したりする必要がなく、対象局所熱伝達率h(x)を求める時間を大幅に短縮できる。
As described above, the
上述の物性値データベース16は、ガス組成ごとに作成されてもよい。その場合、冷却条件設定部11は、上記冷却条件に加えて、ガス組成も設定する。対象局所熱伝達率決定部15は、対応するガス組成の物性値データベース内から所定のガス物性値を読み出す。
The physical property value database 16 described above may be created for each gas composition. In that case, the cooling condition setting unit 11 sets the gas composition in addition to the cooling conditions. The target local heat transfer
また、上記実施の形態では、物性値データベースから読み出した物性値により基準平均熱伝達率hmrefを特定して、式(17)を用いて対象局所熱伝達率h(x)を求めたが、他の方法により基準平均熱伝達率hmrefを特定し、式(1)に基づいて対象局所熱伝達率h(x)を求めてもよい。たとえば、定常熱流動解析部13により解析された結果に基づいて平均熱伝達率hmrefを算出し、対象局所熱伝達率h(x)の算出に利用してもよい。
In the above embodiment, the reference average heat transfer coefficient hm ref is specified by the physical property value read from the physical property value database, and the target local heat transfer coefficient h (x) is obtained using the equation (17). The reference average heat transfer coefficient hm ref may be specified by another method, and the target local heat transfer coefficient h (x) may be obtained based on Expression (1). For example, the average heat transfer coefficient hm ref may be calculated based on the result analyzed by the steady heat
また、膜温度Tbは式(14)で定義したが、他の定義式を用いてもよい。 Moreover, although the film temperature Tb is defined by the equation (14), another defining equation may be used.
図3に示した計算領域を対象として、本実施の形態における決定装置1(本発明例)と、従来技術2(比較例)とで局所熱伝達率h(x)を算出し、その精度及び算出時間を比較した。 For the calculation region shown in FIG. 3, the local heat transfer coefficient h (x) is calculated by the determination apparatus 1 (example of the present invention) in the present embodiment and the conventional technique 2 (comparative example). The calculation times were compared.
[熱伝達率の算出時間] [Calculation time of heat transfer coefficient]
まず初めに、本発明例と比較例とで、局所熱伝達率の算出時間を測定した。図14に示すとおり、解析に用いる格子点数(微小領域数)を2種類準備した。ただし、本発明例については、ガス流れ場のみを計算領域として定常熱流動解析するため、被処理材内部の格子は使用しなかった。 First, the calculation time of the local heat transfer coefficient was measured in the inventive example and the comparative example. As shown in FIG. 14, two types of grid points (number of minute regions) used for analysis were prepared. However, in the example of the present invention, since the steady heat flow analysis was performed using only the gas flow field as a calculation region, the grid inside the material to be processed was not used.
ガス組成を窒素、基準供給ガス温度を298(K)、供給ガス質量流速を339(kg/m2/s)、基準被処理材表面温度を1123(K)を基準冷却条件とし、シミュレーションにより局所熱伝達率を算出した。従来例については、冷却開始時の冷却条件を上記基準冷却条件とし、時間刻み幅Δtを0.01秒として冷却開始後50秒間の非定常熱流動解析を行い、局所熱伝達率を算出した。本発明例では定常熱流動解析を行い、基準局所熱伝達率を算出した。本発明例、比較例ともに数値解析手法として有限体積法を使用した。 The gas composition is nitrogen, the reference supply gas temperature is 298 (K), the supply gas mass flow rate is 339 (kg / m 2 / s), the reference workpiece surface temperature is 1123 (K), and the reference cooling conditions are used. The heat transfer rate was calculated. For the conventional example, the cooling condition at the start of cooling was set as the above-mentioned reference cooling condition, the time step width Δt was set to 0.01 seconds, an unsteady heat flow analysis was performed for 50 seconds after the start of cooling, and the local heat transfer coefficient was calculated. In the example of the present invention, steady heat flow analysis was performed to calculate the reference local heat transfer coefficient. The finite volume method was used as a numerical analysis method for both the inventive example and the comparative example.
算出時間の測定結果を表2に示す。
表2を参照して、本発明例では格子点数を問わず、算出時間を従来の1/100以下に短縮できた。本発明例による解析で得られた各所定表面位置xでの基準局所熱伝達率を表3に示す。
[被処理材の温度計算] [Calculation of temperature of material to be treated]
上述の実験で得られた局所熱伝達率を用いて、本発明例及び比較例で被処理材の温度計算を実施し、両者の計算結果を比較した。 Using the local heat transfer coefficient obtained in the above-described experiment, the temperature of the material to be treated was calculated in the present invention example and the comparative example, and the calculation results of both were compared.
表4に示すとおり、冷却条件C1〜C3について、図15に示す被処理材の表面直下の所定位置L1〜L4での温度推移を計算した。
比較例は、上述の実験と同様に、冷却条件C1〜C3ごとに時間刻み幅Δtを0.01秒として冷却開始後50秒間のシミュレーションを行った。 In the comparative example, similarly to the above-described experiment, a simulation was performed for 50 seconds after the start of cooling with the time step width Δt being 0.01 seconds for each of the cooling conditions C1 to C3.
本発明例は、表3の基準局所熱伝達率href(x)を用いて、冷却条件及び被処理材の表面温度の変化に基づいて図13中のステップS3を実行し、局所熱伝達率h(x)(x=L1〜L4直上の表面位置)を求めた。求めた局所熱伝達率h(x)を用いて熱伝導解析を行い、冷却開始から50秒間における位置L1〜L4の温度推移を算出した。 In the example of the present invention, using the reference local heat transfer coefficient h ref (x) in Table 3, step S3 in FIG. 13 is executed based on the change in the cooling condition and the surface temperature of the material to be processed, and the local heat transfer coefficient h (x) (x = surface position immediately above L1 to L4) was determined. A heat conduction analysis was performed using the obtained local heat transfer coefficient h (x), and temperature transitions at positions L1 to L4 in 50 seconds from the start of cooling were calculated.
図16〜図18に計算結果を示す。図16は冷却条件C1における計算結果、図17は冷却条件C2における計算結果、図18は冷却条件C3における計算結果である。図中の各マーカー(点)は本発明による計算結果を示す。「○」印がL1での温度、「△」印がL2での温度、「□」印がL3での温度、「◇」印がL4での温度をそれぞれ示す。一方、図中の曲線は比較例により得られた計算結果を示す。中の曲線中、細実線がL1での温度、点線がL2での温度、一点鎖線がL3での温度、太実線がL4での温度をそれぞれ示す。 The calculation results are shown in FIGS. 16 shows the calculation result under the cooling condition C1, FIG. 17 shows the calculation result under the cooling condition C2, and FIG. 18 shows the calculation result under the cooling condition C3. Each marker (point) in the figure indicates the calculation result according to the present invention. “◯” indicates the temperature at L1, “Δ” indicates the temperature at L2, “□” indicates the temperature at L3, and “◇” indicates the temperature at L4. On the other hand, the curve in the figure shows the calculation result obtained by the comparative example. In the middle curve, the thin solid line indicates the temperature at L1, the dotted line indicates the temperature at L2, the alternate long and short dash line indicates the temperature at L3, and the thick solid line indicates the temperature at L4.
図16〜図18を参照して、本発明例の算出結果はいずれの冷却条件においても比較例の計算結果と同等であった。また、本実験の計算時間は、比較例の計算時間の1/10以下であった。本発明例は比較例よりも計算時間を短縮でき、かつ、その計算結果は比較例と同等の精度を示した。 Referring to FIGS. 16 to 18, the calculation result of the present invention example was equivalent to the calculation result of the comparative example under any cooling condition. Moreover, the calculation time of this experiment was 1/10 or less of the calculation time of a comparative example. The inventive example can shorten the calculation time compared with the comparative example, and the calculation result shows the same accuracy as the comparative example.
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。 While the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.
1 局所熱伝達率決定装置
11 冷却条件設定部
12 計算領域設定部
13 定常熱流動解析部
14 基準局所熱伝達率算出部
15 対象局所熱伝達率決定部
16 物性値データベース
22 局所熱伝達率決定プログラム
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記熱処理炉内の領域のうち、前記被処理材を囲む所定範囲のガス流れ場領域を計算領域に設定するステップと、
供給ガス温度と、供給ガス質量流速と、被処理材表面温度とを含む基準冷却条件を設定するステップと、
前記基準冷却条件に基づいて、数値解析手法により前記計算領域の定常熱流動解析を行うステップと、
前記定常熱流動解析の結果に基づいて、前記基準冷却条件における前記被処理材の所定表面位置xでの基準局所熱伝達率href(x)を求めるステップと、
前記供給ガス温度、供給ガス質量流速及び被処理材表面温度のうちの少なくとも1つが前記基準冷却条件と異なる対象冷却条件を設定するステップと、
前記基準局所熱伝達率href(x)を求めた後、前記基準冷却条件により決定される基準平均熱伝達率hmrefと、前記対象冷却条件により決定される対象平均熱伝達率hmと、前記基準局所熱伝達率href(x)と、前記対象冷却条件における前記所定表面位置xでの対象局所熱伝達率h(x)とが、式(1)を満たすように、前記対象局所熱伝達率h(x)を決定するステップとをコンピュータに実行させるための局所熱伝達率決定プログラム。
h(x)/hm=href(x)/hmref (1) A local heat transfer coefficient determination program for determining a local heat transfer coefficient of the surface of the material to be processed in gas cooling for supplying gas into the heat treatment furnace to cool the material to be processed,
Of the region in the heat treatment furnace, setting a gas flow field region of a predetermined range surrounding the material to be processed as a calculation region;
Setting a reference cooling condition including a supply gas temperature, a supply gas mass flow rate, and a material surface temperature;
Based on the reference cooling condition, performing a steady heat flow analysis of the calculation region by a numerical analysis method;
Obtaining a reference local heat transfer coefficient h ref (x) at a predetermined surface position x of the material to be processed under the reference cooling condition based on the result of the steady heat flow analysis;
Setting a target cooling condition in which at least one of the supply gas temperature, the supply gas mass flow rate, and the material surface temperature to be processed is different from the reference cooling condition;
After obtaining the reference local heat transfer coefficient h ref (x), the reference average heat transfer coefficient hm ref determined by the reference cooling condition, the target average heat transfer coefficient hm determined by the target cooling condition, The target local heat transfer coefficient h ref (x) and the target local heat transfer coefficient h (x) at the predetermined surface position x under the target cooling condition satisfy the expression (1). A local heat transfer coefficient determination program for causing a computer to execute the step of determining the rate h (x).
h (x) / hm = h ref (x) / hm ref (1)
前記熱処理炉内の領域のうち、前記被処理材を囲む所定範囲のガス流れ場領域を計算領域に設定する計算領域設定手段と、
供給ガス温度、供給ガス質量流速、及び被処理材表面温度を含む基準冷却条件と、前記供給ガス温度、供給ガス質量流速及び被処理材表面温度のうちの少なくとも1つが前記基準冷却条件と異なる対象冷却条件とを設定する冷却条件設定手段と、
前記基準冷却条件に基づいて、数値解析手法により前記計算領域の定常熱流動解析を行う定常熱流動解析手段と、
前記定常熱流動解析手段の解析結果に基づいて、前記基準冷却条件における前記被処理材の所定表面位置xでの基準局所熱伝達率href(x)を求める基準局所熱伝達率決定手段と、
前記基準局所熱伝達率href(x)を求めた後、前記基準冷却条件により決定される基準平均熱伝達率hmrefと、前記対象冷却条件により決定される対象平均熱伝達率hmと、前記基準局所熱伝達率href(x)と、前記対象冷却条件における前記所定表面位置xでの対象局所熱伝達率h(x)とが、式(1)を満たすように、前記対象局所熱伝達率h(x)を決定する対象局所熱伝達率決定手段とを備えることを特徴とする局所熱伝達率決定装置。
h(x)/hm=href(x)/hmref (1) A local heat transfer coefficient determining device for determining a local heat transfer coefficient of the surface of the material to be processed in gas cooling for supplying a gas into the heat treatment furnace to cool the material to be processed,
A calculation region setting means for setting a gas flow field region of a predetermined range surrounding the material to be processed as a calculation region among the regions in the heat treatment furnace,
Reference cooling conditions including supply gas temperature, supply gas mass flow rate, and material surface temperature to be processed, and at least one of the supply gas temperature, supply gas mass flow rate, and material surface temperature to be processed is different from the reference cooling conditions Cooling condition setting means for setting cooling conditions;
Based on the reference cooling conditions, steady heat flow analysis means for performing steady heat flow analysis of the calculation region by a numerical analysis method,
Based on the analysis result of the steady heat flow analyzing means, a reference local heat transfer coefficient determining means for obtaining a reference local heat transfer coefficient h ref (x) at a predetermined surface position x of the material to be processed under the reference cooling condition;
After obtaining the reference local heat transfer coefficient h ref (x), the reference average heat transfer coefficient hm ref determined by the reference cooling condition, the target average heat transfer coefficient hm determined by the target cooling condition, The target local heat transfer coefficient h ref (x) and the target local heat transfer coefficient h (x) at the predetermined surface position x under the target cooling condition satisfy the expression (1). A local heat transfer coefficient determining device, comprising: a target local heat transfer coefficient determining means for determining the rate h (x).
h (x) / hm = h ref (x) / hm ref (1)
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