基于LES方法的铝合金固溶炉湍流特征研究*

基于LES方法的铝合金固溶炉湍流特征研究*

张戈1萧琦2贺红娟3李彬3

(1 中航工程集成设备有限公司北京102206)

(2 北京矿大节能科技有限公司北京100083) (3 中国科学院工程热物理研究所北京100190)

摘要国内重大装备领域(如大飞机研制、陶瓷烧制)的快速发展对铝型材热处理水平的要求不断提高，笔者将通过经验公式和模拟仿真的手段，对铝合金固溶热处理炉进行了改进和延伸。考察了短循环结构和长循环结构内气体流场的分布情况，分析了静压箱楔板角度、底部水平结构、顶部中心处离布风栅板高度、布风栅板宽度以及栅板高度对内部流场的影响。数值模拟结果对铝合金固溶热处理炉的结构优化、操作条件等给出了建议。

关键词铝合金固溶热处理炉湍流LES方法

前言

铝合金固溶热处理电炉是周期作业式电阻炉，具有炉温均匀、升温快、入水时间短、能源消耗低等优点。在关键锻件制造以及陶瓷烧制等方面得到广泛使用。该电炉的空气循环系统是保证产品达到工艺要求的加热速度和温度均匀性的关键。良好的进风结构和风量设计是提高控温精度、稳定炉温、缩小温差波动的关键。目前，很多电炉内使用中圆图记录仪记录温度及超温声光报警，双重控制，确保工件不超温。随着高速、高机动性能要求的不断提高，应用大型一体化整体结构代替传统铆接组合结构，已成为当今国内外设备结构研制的一大趋势。其整体结构件具有质量轻，在刚度、抗疲劳强度以及各种失稳临界值等方面均优于铆接结构的显著特点，在锻件制造和陶瓷烧制过程中越来越多地采用整体结构件，如大梁、隔框、壁板等普遍采用了整体化结构设计。随着对整体框架式结构需求的日益增大，对铝型材的热处理设备有效处理尺寸要求也随之增加，大型铝合金热处理炉的研发已成为当务之急[1~2]。

结合国内装置建造的发展趋势以及国外竞争对手的最新技术，笔者通过经验公式和模拟仿真，考察大型铝合金固溶热处理联合电炉内流场的分布情况，旨在保证性能的前提下，增加有效工作区，为企业日后大飞机配套设备市场占有一席之地作好技术储备工作。

1数值模型和数值方法

1.1　LES方法

鉴于目前计算机的发展水平，在计算流体力学涉及到紊流的数值模拟时，需要对计算网格的尺度进行严格的限制，因此目前主要针对小于计算网格尺度的紊流结构的数值模拟需要开展更深入的研究。大涡模拟计算湍流源于气象学界，最早进行三维湍流计算的气象学家Smagorinsky使用了Smagorinsky亚格子尺度模型[3]。气象学家Deardorff首次用LES方法对具有工程意义的槽道流动进行了模拟，证明了湍流三维计算的可行性，他只用了6 720个网格点就成功地预测出了槽道湍流的若干性质，特别重要的是他证明了LES方法用于湍流基础研究的可行性[4]。大涡模拟的思路可以理解为：对大尺度紊流运动进行直接求解Navier-Stokes方程；而小尺度紊流运动对大尺度紊流运动产生的影响，可通过次网格尺度模型建模。

对于粘性流体在直角坐标系下，其运动规律受到N-S方程控制，把不可压缩流体的N-S方程进行过滤，可以得到[5]：

(1)

(2)

对速度矢量进行变换，得到：

(3)

(4)

从而得到：

(5)

式中:ui、uj、p、xi、xj和t分别为速度i方向的分量、速度j方向的分量、流体压力、i方向的位移、j方向的位移和时间。

1.2　计算区域和边界条件

基于GAMBIT网格划分软件，将长循环工作炉进行了三维建模和网格划分。

图1和图2分别为长循环工作炉的三维实体图和网格划分图(静压箱底部水平结构的长度为1 000mm; 静压箱顶部中心处离布风栅板的高度为300mm; 布风栅板的宽度为90mm; 栅板的高度为21mm; 栅板个数为27个)。

图1　长循环工作炉的三维实体图

图2　长循环工作炉的网格划分

长循环工作炉体主要分为3大部分：静压箱、工作区和循环风出口。在静压箱底部布置有布风栅板、静压箱顶部设计有斜板结构，在循环出口处开有三角形楔板，这些都起到均化工作区内风量的作用，从而在工作区获得均匀分布的流场结构。图3和图4为栅板和进风结构的网格划分。

图3　栅板的网格划分

空气通过静压箱两端进口吹入炉体内，随后在静压箱的斜形顶部结构及操作条件的控制下，经由静压箱底部的布风栅板进入流动过渡区、工作区，后流入布置在炉体侧面壁的循环风道中，最后到达装有三角形楔板的4个出口。考虑到长循环内的流动特征以及设计操作条件，选用三维定长的流动模型进行考察。

图4　进风结构的网格划分

长循环工作炉分别对静压箱、工作区和循环风道等部分进行三维建模，流体为常温空气，并设定为可压缩的理想气体。

数值模拟中设定静压箱的2个进口为速度进口边界，循环风道的4个三角形楔板出口为压力出口边界条件，其他壁面设置为无滑移壁面边界条件，并满足J-DING条件。表1为长循环模拟边界条件的设置。

表1　长循环工作炉的模拟条件

2结果分析

为了分析长循环工作炉内部的不同结构对流动的影响，我们选择D，M，L和H这4个参数作为结构变化的量度，如图5所示，计算工况见表2。

表2　计算工况一览表(mm)

图5　长循环工作炉的内部结构三维实体图

(a)工况2

(b)工况4

(c)工况5

图6为基于湍流模型和速度进口边界、压力出口边界的工况2、4和5的CFD计算残差图，可以看到监测的速度和k-ε的变换残差在10-5以下，3种计算工况达到了较高的收敛水平，从而保证了计算域内流动的可靠性和结果的真实性。

(a)工况5

(b)工况4

(c)工况2

图7为长循环工作炉在工况5、4和2内部的速度矢量图。当D=0时，从风机吹入的气体没有经过水平过度顶结构的缓和作用，直接在大角度斜板的作用下流体的动量发生了急促变化，气体速度向下弯折，进入栅板布风结构后流入下部的炉体内，因此在炉体的两侧产生了较大范围的流动波动，流动的稳定性较差。如果不设计静压箱顶部的斜板结构，如图7(b)所示，流体在静压箱内随着主流方向运动，两端的流体在静压箱中部相遇后，产生强烈的动量交换，很大一部分动能被流体间的相互作用耗尽，一部分流体在剩余能量头的驱动下向栅板运动，进入主工作区。而当D=1 000 mm时，流体经过了水平段的平缓后，流动状态得到了一次休整，随后在斜板作用下进入工作区，形成了较好的场状态。

(a)工况5

(b)工况4

(c)工况2

图8为长循环工作炉内流体轨迹图。由图8可以看出，当不设计水平过度结构时，流体进入静压箱后，即有部分流体折返进入栅板结构，流动极其不稳定，不利于形成期望的流场环境。而当不设计斜板结构时，流体的动量头很大部分被流体间的相互作用损失掉，进入工作区的流体很有限，也不利于良性流场环境的形成。因此，建议设计具有水平过度段的斜顶结构的静压箱。

图9为常温可压缩空气在长循环工作炉内的速度的切片云图。

图9　长循环工作炉内速度的切片云图

由图9可以看出：

1)在静压箱内， 流体在进口主流驱动下向静压箱内流动，流动稳定，当遇到静压箱顶板的楔形结构后，流动变向，并集中向静压箱中部汇集。

2)在布风栅板的作用下，流体的速度突然增大，其静压头转变为动压头，以完成流体的均匀分配。

3)在工作区上部的过渡区中，流体的运动趋缓并完成流动形态的调整，进入工作区后，流体形成了相对均匀的流动状态。靠近壁面的流体遇到壁面障碍物后，形成折返，因此在壁面附近产生了涡流。

4)在炉体底部内外腔空隙的结构影响下，流体在狭小空间内速度增大，发生变轨运动，为进入循环风道做准备。

3结论

笔者结合市场发展的趋势，提出对现有铝合金固溶热处理炉进行改进及延伸的方法，并基于数值模拟和经验关系，得到如下结论：

1)在短循环结构中，通过模拟湍流区的分布可知，各个风机之间由于气流循环相互干涉集中在各分区之

间引起湍流，同时能量损失集中在湍流区域。可通过在相应区域增加导流护板引导气流走向，改善循环情况，减少或避免湍流的形成。短循环结构依靠风机的数量来满足有效区长度的变化，当有效区长度增加后，风机数量及分区数量势必增加，各分区之间干扰会进一步明显。

2)在长循环结构中，炉门结构由现有双层炉门结构改为桁架式单层结构，同时提升方式由斜面起升式改为轨道整体顶升式。数值模拟也对长循环的结构优化、操作条件给出了建议。

参考文献

1闻邦椿.机械设计手册(第四版第1卷).北京：化学工业出版社，

2王秉铨.工业炉设计手册(第2版).北京：机械工业出版社，2006

3Gidaspow D.Multiphase flow and fluidization: continuum and kinetic theory description.New York:Academic Press,1994

4Nakamura K,Capes C E.Vertical pneumatic conveying-theoretical study of uniform and annular particle flow models.Canadian Journal of Chemical Engineering,1973,51(1):39~46

5Wen C Y,Yu Y H.Mechanics of fluidization.AIChE Symposium,1966,62:100~111

Research for the Turbulence Character in the Aluminum-alloy Solution Treatment Furnace Based on the LES Method

Zhang Ge1, Xiao Qi2, He Hongjuan3, Li Bin3(1 AVIC APC Integration Equipment Co.,Ltd.,Beijing,102206)(2 Beijing CUMT Energe Conservation Technology Co.,Ltd.,Beijng,100083)(3 Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190)

Abstract:Requirement for the heat-treated capability of aluminum section is increasing due to the rapid development of the domestic aviation. This paper has studied the hydrodynamic flow character in heat treatment aluminum furnaces by the empirical formula and simulation methods to improve and extend the capability and application of the aluminum furnaces. The gas flow distribution of short and long full-loop structures is analyzed by considering the chamber wedge angle, the bottom level of the structure, the height from the top center to the air distribution, width and height of the gas distribution. The influence of different geometry on the flow character is calculated. At last, the structural optimization as well as recommended operating conditions is proposed.

Key words:Three dimensional simulation; Turbulence flow; LES method

中图分类号:TQ174.6

文献标识码:A

文章编号：1002-2872(2015)03-0022-05

通讯作者简介：贺红娟(1982-)，硕士，助理研究员；研究方向为燃烧数值模拟。

*作者简介：张戈(1983-)，硕士，工程师；主要从事工业炉设计及研发。