淬火槽中介質(zhì)流速的測量及流速場的模擬.docx

1、第23卷第2期材料熱處理學報2002年6月TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.23No.2June2002淬火槽中介質(zhì)流速的測量及流速場的模擬陳乃錄I,李強廖波1,王葛1,潘健生（1.燕山大學，秦皇島066004；2.鄭州機械研究所，鄭州450052；3.上海交通大學，上海200030）摘要：為了研究淬火槽中流速場的分布狀態(tài).提高流體均勻性.采用超聲波多普勒流速測定儀對螺旋槳攪拌狀態(tài)下的介質(zhì)流速進行了測度.用有限元法對流速場進行了模擬.并根據(jù)模擬結(jié)果對均流片的設(shè)置進行了改進。結(jié)果表明.試驗選用的超聲波多普勒流速測定儀及其測讖方法適合于測.業(yè)淬火

2、槽的介質(zhì)流速；流速場的模擬可以用于指導(dǎo)淬火槽流速場均勻性的設(shè)計。關(guān)鍵詞：淬火槽；流速測量；流速場模擬中圖分類號：TG154.4,TB115文獻標識碼：A文章編號：1009-6264（2002）02-0033-04影響淬火冷卻均勻性的重要因素之一是工件淬火冷卻所處的流速場的均勻程度，流速場均勻與否取決于淬火槽攪拌及均流結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理，恰當?shù)慕橘|(zhì)攪拌及均流結(jié)構(gòu)可顯著改善淬火件冷卻的均勻性；相反，在介質(zhì)靜態(tài)下或不均勻流速場下淬火往往會造成冷卻不均勻。因此，測地淬火槽中介質(zhì)流速和研究其流速場，對改進淬火槽的攪拌及均流結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。由于淬火槽中介質(zhì)流動呈紊流態(tài)，測量淬火槽中介質(zhì)的流速和模擬其

3、流速場難度很大。DRGarwood等采用激光多普勒風速儀對試驗用淬火槽介質(zhì)流速進行了測量，并建立了模擬流速場分布的CFD（Computationalfluiddynamic）模型o這些CFD模型由于流速場流向的復(fù)雜性以及CFD軟件包容量的限制，仍處于定性估測階段。在國內(nèi)，上海交通大學阮冬等人進行了氣體滲碳爐的流場動力學計算機模擬，但是在液體流場動力學計算機模擬方面尚未見報導(dǎo)。為了研究淬火槽獲得最佳流速場的攪拌及均流結(jié)構(gòu)，選用超聲波多普勒測速儀對螺旋槳攪拌狀態(tài)下的介質(zhì)流速進行了測量，用有限元法對流速場進行了模擬，并根據(jù)流速場模擬結(jié)果對均流片的設(shè)置進行了改進。收|日期：2001-11-22;修訂日

4、期：2002-04-10¥金項目：機械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金資助（97JAO4O5）作者M介：陳乃錄（1960），男.燕山大學博上研究生；鄭州機械研究所熱處理工藝裝備室，研究員級商工。主要從事熱處理冷卻技術(shù)研究。1淬火槽流速的測量及流速場的模擬1.1流速的測介質(zhì)流速的測量通常采用皮托管（Pitot-StalicTube）測速儀、渦輪式測速儀（TurbineVelocimeter）、紋影照相（StreakPhotography）測速儀及多普勒（Doppler）測速儀。目前已有采用激光多普勒測速儀測量小型透明容器的介質(zhì)流速。為了對工業(yè)淬火槽的介質(zhì)流速進行測量，作者設(shè)計了超聲波多普勒介質(zhì)流速測量

5、系統(tǒng)（見圖1）。測速儀精度為2.0級，重復(fù)性誤差w0.7%。圖1超聲波多普勒測速儀系統(tǒng)構(gòu)成Fig.lUltrasonicDopplerVelocimetersystem圖2采用的淬火槽，裝液量lm，采用頂插式螺旋槳攪拌，設(shè)有介質(zhì)導(dǎo)流及均流裝置，介質(zhì)為水。表1為螺旋槳在371r/min轉(zhuǎn)速下=0.3.0.6m截面上有、無均流片情況下介質(zhì)流速的測酸值。1.2流速場的模擬1.2.1模擬的條件假設(shè)1）僅考慮螺旋槳向前的推力，忽略其旋轉(zhuǎn)力，螺旋槳的效率按100%計算；2）淬火槽頂部壓強為一個標準大氣壓，水的粘度系數(shù)等物性參數(shù)按常數(shù)處理。34材料熱處理學報第23卷«1旋槳在371r/min轉(zhuǎn)速下

6、，Z：=0.3、0.6m橫哉面流速測值Table1Theflowratesofmeasurementat371r/miiiandZ=0.3,0.6m均流層面流速/wh"1情況Z/mABCDEFGH1X0.30.530.560.420.590.450.470.540.510.44無0.60.300.370.350.250.340.270.480.370.33有0.30.210.430.410.190.450.320.250.410.37有0.60.200.360.320.180.330.300.160.330.32注：表中A、B、C、D、E,F、G、H、1為圖2中淬火槽淬火區(qū)域水平截面

7、的坐標點。圖2淬火槽結(jié)構(gòu)簡圖及流場坐標系Fig.2Schematicdrawingofquenchinglank圖3淬火槽的有限元網(wǎng)格圖Fig.3TheFEMmeshofquenchingtank1.2.2有限元計算方法采用大型有限元軟件對三維淬火槽內(nèi)部流速場進行計算，步驟如下：在三維實體造型軟件中建立幾何模型，并轉(zhuǎn)換為IGES文件格式，再傳入有限元軟件；在有限元軟件中進行拓撲結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)的修改，完成幾何建模；最后劃分網(wǎng)格、加載并給出邊界條件進行計算。由于模擬對象尺寸較大、導(dǎo)流及均流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此建模難度大，為了獲得良好的網(wǎng)格形狀，先采用自由網(wǎng)格劃分，然后進行網(wǎng)格局部細化，網(wǎng)格采用四面體單元

8、，設(shè)定單元尺寸為0.025m,進行自由網(wǎng)格劃分，劃分的總體單元數(shù)目約為19萬個，節(jié)點總數(shù)約為3.6萬個，網(wǎng)格劃分如圖3所示。1.2.3流速場的模擬表2為螺旋槳在371r/min轉(zhuǎn)速下Z=0.3、0.6m截面上有、無均流片情況下介質(zhì)流速的模擬結(jié)果C2 均勻流速場的建立為了獲得較均勻流速場的均流片結(jié)構(gòu)，模擬了均流片位置不同的流速場，從中選出可使流速場較均勻的均流結(jié)構(gòu)，并依此對淬火槽的均流片位置進行調(diào)整和流速測最，結(jié)果見表3。3 分析討論3.1流速的測由于螺旋槳攪拌方式會使介質(zhì)呈大流量素態(tài)運動，有利于將淬火件周圍的熱ft均勻帶走，因而在浸液淬火中被廣泛采用。但是，介質(zhì)呈素流態(tài)運動時流速的測量難度大，

9、通過對現(xiàn)有的幾種測試方法分析后，本文采用了超聲波多普勒測速儀c由于超聲波多普勒測速儀的發(fā)射和接收聲波探頭是直接浸入介質(zhì)之中，所以不受介質(zhì)及容器的透明度和容器大小的限制，測得的流速是探頭之間表象點的速率.（而不僅僅第2期陳乃錄等：淬火槽中介質(zhì)流速的測最及流速場的模擬35是測量丫軸方向的速度），這與模擬得到的由x、y、淬火槽中介質(zhì)的流速。本文采用的超聲波多普勒測z方向速度分量所求得的合速度量值具有可比性。速儀測量淬火槽中介質(zhì)流速的方法目前尚未見報導(dǎo)。該方法與激光多普勒測速法相比更適合于測量工業(yè)表2Table蠣旋槳在371r/min轉(zhuǎn)速下Z=2Theflowratesofsimulation；0.3

10、.0.6m橫裁面流速模擬值at371r/minandZ=0.3,0.6m均流層面流速1情況Z/mABCDEFGHI無0.30.750.300.210.670.130.260.690.200.24無0.60.460.330.250.440.280.2B0.440.280.29有0.30.160.520.380.200.510.180.160.580.16有0.60.150.310.330.110.400.230.150.430.22表3均流片改進后螞旋槳在371r/min轉(zhuǎn)速下Z=0.3.0.6m橫截面流速模擬與實測值Table3Theflowratesofsimulationandmeasur

11、ementat371r/minandZ=0.3、0.6m(improvedflowbaffles)層面流速/msZ/mABCDEFGHI0.3（模擬）0.330.370.540.200.330.150.190.330.170.6（模擬）0.210.240.310.200.250.310.210.240.300.3（實測）0.280.410.360.250.380.360.270.400.300.6（實測）0.220.350.300.210.330.300.190.320.283.2端旋槳旋向的影響介質(zhì)是在螺旋槳的旋轉(zhuǎn)力推動下作旋轉(zhuǎn)向前的運動，會造成Z層面沿X和丫軸的流速不均（表1、表2）,這種

12、不均勻性隨著流體的向上運動逐漸減弱。3.3均流的作用介質(zhì)在螺旋槳旋轉(zhuǎn)力的作用下作旋轉(zhuǎn)向前的運動，除旋向造成流體運動不均勻外，還有一個向前運動的沖力起作用，這個沖力會造成流體在Z層面沿X和丫軸的流速不均，沿X軸尤為嚴重。通過均流片的合理設(shè)置，會有效改善流速場的均勻性（表3）。3.4流速場的均勻性從測量和模擬結(jié)果得出流速的均勻性由底部向上逐漸提高，在淬火槽中存在一個流速相對穩(wěn)定的流速場均勻區(qū)域，這個區(qū)域的尺寸隨著均流效果的提高而增大，工件在這個區(qū)域淬火有利于提高冷卻的均勻性。3.5流速場的模擬誤差圖4、圖5是對模擬和實測的流速值進行對比，雖然模擬和實測相比有一定誤差，但是模擬結(jié)果基本可以反映出實際

13、流速場的趨勢。產(chǎn)生誤差的原因之一是'模擬忽略了螺旋槳的旋轉(zhuǎn)作用力，模擬結(jié)果中不圖4有均流片設(shè)置，螺旋槳轉(zhuǎn)速為371r/min,Z=0.3m層面、丫=O.25m沿X軸模擬與實測的流速分布Fig.4FlowralesofsimulationandmeasurementofY=0.25m,Z=0.3m,Xaxisatthepropellerspeedof371r/min(usedflowbailies)能體現(xiàn)出螺旋槳旋向?qū)鶆蛐缘挠绊?；誤差的原因之二是模擬是在假設(shè)螺旋槳的效率為100%的前提下進行的。3.6流速場模擬的應(yīng)用通過流速場模擬可以得到較直觀的流速場分布，推演出均流片對流體均勻性的影

14、響，進而為均流片的設(shè)計提供參考依據(jù)。本文利用模擬結(jié)果對試驗淬火圖5有均流片設(shè)置.螺旋槳轉(zhuǎn)速為371r/min,Z=0.6m層面、丫=0.25m沿X軸模擬與實測的流速分布Fig.5FlowratesofsimulationandmeasurementofY=0.25m,Z=0.6m,Xaxisatthepropellerspeedof371r/min(usedflowbaffles)槽的均流片設(shè)置進行了改進，結(jié)果表明，改善后流速場的均勻性得到了改善（表3）o4 結(jié)論1）建立了采用超聲波多普勒測速儀測量淬火槽介質(zhì)流速的方法，該方法可推薦用于測髭工業(yè)淬火槽的介質(zhì)流速；2）根據(jù)模擬結(jié)果改進均流片的設(shè)置

15、得到了較均勻的流速場，說明流速場的模擬對淬火槽的攪拌和均流的結(jié)構(gòu)設(shè)計有指導(dǎo)意義；3）淬火槽流速場模擬顯示，流速場的均勻性由底部向上逐漸提高，在淬火槽中存在一個流速相對穩(wěn)定的流速場均勻區(qū)域，即最佳淬火區(qū)，這個區(qū)域的尺寸大小取決于均流系統(tǒng)的設(shè)計。參考文獻TottenGE*BatesECvClintonNA.HandbookofQuenchantsandQuenchingTechnologyM.ASMInternational.Cleveland.1993:344.1 GarwoodDR.ScasJD»WallisRA.WardJ.Modelingoftheflowdistribution

16、inanoilquenchtankJ.JMatEngandPerf.1992,1(6)：781787.3阮冬.潘健生等.特大型氣體潘碳爐的流場動力學計算機模擬J).金屬熱處理，1999,(1):37-40.4OldshueYJ.Scale-upofuniqueindustrialfluidmixingprocessesA.In:Proceedingsofthe5thEuropeanConferenceonMixingC.Wurzburg.WestGermany.1012June,1985,3552.（上接第23頁）結(jié)論通過分析指出，人們長期居留在被動吸煙環(huán)境中，會產(chǎn)生潛在的遠期危害。A.1.2

17、要素倒置型報道性文摘例1白普線蟲的防治結(jié)果在密西西比州的一些地區(qū)通過土壤的熏蒸或施加固態(tài)的殺線蟲劑可以提高白普的收獲敏和質(zhì)fit,商品熏劑vor】ex、DOWW-85和DD在各堅行施用后大大增加了收獲量和質(zhì)歐。vorlex或DOWW-85應(yīng)施用0.017O4L/m2,DD施用0.0613-0.068L/m2于壟行的中間深20.32-25.4cm處，超前于播種1430天.撒播熏殺也是有效的,但要求有效高集劑水平。結(jié)論在試驗的固體殺線蟲劑中，拜耳（Bayer）68138和達殺尼特（Dasanit）表明是有希里的。方法對根節(jié)線蟲的研究是1967年蔬菜收獲分公司實驗站在三行或四行受大批線蟲危害的重復(fù)和任意的地塊上進行的。認為只進行單季大田試驗是不夠的，還需要更多的信息。例2吸煙對室內(nèi)空氣環(huán)境的污染結(jié)果對城市住宅區(qū)內(nèi)的一家地下室飲料廳和三家地下室旅社作了吸煙對室內(nèi)空氣污染程度的分析。地下室飲料廳一氧化碳濃度最高為13.23xIO",全營業(yè)時間平均濃度為7.69±2.59xIO",超標7.8倍。NO.實測濃度均未超過國家大氣一次最高容許濃度，但煙氣總顆粒物質(zhì)（TPM）次最高達2.41mg/mJ,全營業(yè)時間平均值為1.51+0.59mg/mJ,一次最高濃度超標4倍，平均濃度