Flowmaster在热等静压机冷却系统仿真中的应用

何 晓 吴小平 钟咏雪 邢文涛

(四川航空工业川西机器有限责任公司，四川625000)

Flowmaster在热等静压机冷却系统仿真中的应用

何 晓 吴小平 钟咏雪 邢文涛

(四川航空工业川西机器有限责任公司，四川625000)

介绍了热流体系统仿真平台Flowmaster的特点。基于714K热等静压机URC(均匀快速冷却)冷却系统原理，在Flowmaster中建立了三维仿真模型，模拟了714K热等静压机URC冷却系统在不同工况下气体的流动与换热特性以及各种参数的分布与变化情况，可以得到空载分析、带载分析、自然冷却、安全分析等过程中热等静压机工作缸内各监测点的温度、压力分布状态和曲线，以及混合装置驱动氩气循环时各装置、通道氩气流动状态。

热等静压机；Flowmaster；数值仿真

热等静压技术(HIP)是将铸件放置到密闭的容器中，向铸件施加各向同等压力(最高200 MPa)、同等高温(最高2000℃)，使铸件进行烧结和致密化的过程[1]。通过高温高压处理使铸件内部结晶细化，弥合微小的孔隙，并增加强度和韧性，改善材料力学性能。

1965年美国Battelle研究所研制的第一台热等静压机的问世，标志着热等静压技术设备的诞生[2]。经过多年的设计研究，目前先进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结构，高压容器的端盖与缸体间的连接为无螺纹连接，如瑞典AVURE公司的热等静压机[3]。

目前，我国主要是北京钢铁研究院生产的SIP系列和中国航空工业川西机器厂生产的RDJ系列热等静压机[4]。由于我国在这方面的起步和应用较晚，在热等静压机的设计技术和研究方面相对于国外还比较落后，目前还未能完全掌握热等静压机内部的流动和换热特性，因此非常有必要加强这方面的研究。由于热等静压机工作时的压力大，温度高，尺寸大，这给实验研究带来了很大的困难，因此理论分析和数值研究成为研究其性能的重要手段。

714K热等静压机(RDJ 1200 / 2000 -200.1400型热等静压机)结构复杂[5]，工作温度高，压力大，工作介质氩气流动复杂，数值仿真难度很大。本文采用热流体系统仿真平台flowmaster软件对川西机器厂生产的714K热等静压机的性能进行数值研究，探索热等静压机内部高压工作的氩气的流动与换热规律。根据714K热等静压机的技术指标、URC[6]原理结构搭建了三维仿真模型，对其流动与换热性能进行了仿真。

1 Flowmaster介绍

Flowmaster是一种热流体系统仿真分析平台，因其对流体系统网络具有高效的计算效率、精确的求解能力、便捷快速的建模方式而被许多全球著名用户所采用。Flowmaster V7作为新一代热流体系统仿真软件，它具有以下功能和特点：能精确预测系统参数，具有完备的分析模块以及完备的元件库，流程化的平台界面，强大的后处理及报表生成工具[7]。这些优良特性为复杂流体网络的仿真提供了很好的基础，是一款较为适合用于分析复杂流动与换热特性区域的仿真软件。

2 714K热等静压机URC冷却系统

714K热等静压机URC(均匀快速冷却)系统原理结构图如图1所示。

图1 714K热等静压机URC原理结构图Figure 1 Configuration of principle for 714K hot isostatic press uniform rapid cooling system

根据UCR原理结构图，系统分为热区以及冷区，其中热区是指热等静压机的有效使用区域，在高温高压状态时，达到约定的温度均匀性。在热区中用于压制的区域为装料室(包括料框等，面积为S0)，料框外筒均布通气小孔，平衡料框内外的压力，防止变形。而冷区是指热等静压机下端盖与基座基板之间形成的区域，在该区域内，温度要求不超过80℃，该区域用于安装循环电机、供冷气阀(或冷气电机)、插件、电缆等。热区与冷区通过混合装置掺混，混合装置由冷热氩气通道、掺混区、混合区、循环风扇等组成。均匀循环时，加速热氩气的循环速度，提高热区的均匀性。快冷时，按快冷速率要求计算出冷热氩气用量进行混合，最大冷热氩气混合比例为1∶4，混合后温氩气由循环风扇驱动至装料室顶部。装料室与工件之间保留热气体的流动通道(通道面积为S1)为装料通道T1，通道形状根据工件设置，面积按最小流通面积计算，面积一般是装料室总面积S0的10%～20%。隔热屏内壁与料框形成的通道为循环通道T2(通道面积为S2，S2≤S1，S2=S3+S4+气隙)，用于循环装料室内的热氩气。通道设计时要考虑发热体和绝缘瓷珠对气流流动的影响。通道内热气体在均匀循环时要求与装料室温度相同，快冷时比装料室温度稍低。在热氩气进入到循环通道时，有一部分氩气会经过热掺混通道T3进入掺混区(面积为S3)，通过在钼筒上开孔形成通道，调整开孔面积来满足实际要求。隔热屏底部有隔热屏通道T4，循环通道来的热氩气进入隔热屏内部冷却通道(面积为S4)，通过在钼筒上开孔形成通道，调整开孔面积可满足实际要求。循环时，进入的热氩气可以忽略不计。快冷时，热氩气从底部进顶部出，温度要求从1250℃逐渐降低到500℃左右。隔热屏外屏与工作缸内壁(水冷结构)之间形成的环形通道(面积为S5)为快冷通道T5，包括隔热屏开孔与上端下表面组成的区域，循环时，进入的温氩气可忽略不计。快冷时，温氩气从顶部进底部出，温度要求从500℃逐渐冷却到80℃以下。冷氩气经由冷掺混通道T6进入掺混区的通道(面积为S6)，通过冷气阀或电机控制。冷气阀设置3种通径，根据快冷速率控制3个阀或电机，实现冷氩气控制。工作缸的冷却水与内壁组成通道，在均匀快冷期间实现热交换器的作用。温氩气经热交换器降到冷氩气。要求在工作缸冷却进水温度30℃的边界条件下，要求工作缸内壁温度≤200℃。在工作过程中根据温度的不同，氩气也可分为三部分：热氩气，即热区周围、通道到T1-T3的氩气，最高温度为1250℃，随着设定降温曲线而降低；温氩气，即快冷时，冷热氩气经混合装置均匀混合并由风扇驱动到装料室的温热氩气，温氩气的温度要求大于装料室温度的90%，根据UCR速率通过计算确定其温度和流量；冷氩气，即经工作缸内壁冷却后的氩气，温度≤80℃。

3 Flowmaster的数值仿真

3.1 模块与工质

根据仿真要求中所涵盖的仿真内容，需采用Flowmaster V7中的稳态换热仿真模块(Heat transfer steady state)以及瞬态换热仿真模块(Heat transfer transient state)对相应的工况展开分析[8]。基于Flowmaster NIST数据库[9]中的Ar元素以及内置的NIST函数自定义生成能够满足所有计算工况的Argon(压力：0.1 bar～2100 bar；温度：0～1500℃)作为仿真工质。

3.2 研究内容

主要对以下几种工况进行分析：

(1)空载分析

空载条件下，在温度1250℃、压力200 MPa时，以URC速率50℃/min，从1250℃冷却至600℃，对URC过程进行了仿真分析。

(2)带载分析

分别装载3 t和5 t工件(工件材料为钛合金或高温合金)条件下，在温度1250℃、压力150 MPa时，分别以URC速率30℃/min和20℃/min，从1250℃冷却至600℃时，对URC过程进行了仿真分析。

(3)自然冷却

在URC验证完成后，装料5 t工件(工件材料为钛合金或高温合金)条件下，模拟温度从1400℃自然降温到300℃的仿真分析。仿真监测点，增加3个工件监测点。

(4)安全分析

在热等静压机URC工作时，从热区循环出来的高温氩气对工作缸内壁造成热冲击，快速冷却速率过大或失控时，氩气温度高达500～800℃。热应力会造成工作缸产生裂纹或失效，造成安全事故。另外，循环风扇在高温环境下运行，如果失效会造成安全事故。因此，热等静压机的URC安全是关键。

在温度1250℃、压力200 MPa、空炉50℃/min极限状态下，进行分析。

装料5 t，在温度1250～600℃、压力150 MPa、冷却速率20℃/min状态下，进行分析。

失效模式，在温度1250℃、压力200 MPa、空炉冷却速率50℃/min、URC状态时，建立失效模式进行分析。

在上述几种工况下，分别模拟以下过程：

(1)混合装置：仿真电机驱动循环风扇转动，将冷热氩气均匀混合，并经工作台面板流向装料室。

(2)氩气经装料通道，在温氩气和氩气温差的作用下，带动装料室内热氩气混合上升到隔热屏顶部降温流到循环通道。

(3)氩气经循环通道，在冷氩气作用下，向下流动分别流向热参混通道和隔热屏通道。

(4)氩气经热参混通道开孔进入参混区。

(5)氩气经隔热屏底部开孔进入隔热屏通道。

(6)氩气经隔热屏顶部流向上端盖与工作缸的冷却通道。

(7)冷区的氩气在循环风扇的作用下(真空吸力)，进入冷参混通道(或供冷氩气装置驱动冷氩气进入冷参混通道)。

(8)冷却水在30℃、流量54 m3/h的边界条件下经工作缸和上端盖时工作缸、上端盖温度和冷却水状态(流量、温度和压力)。

3.3 仿真系统模型

利用Flowmaster对冷却系统搭建的模型，其部件的连接关系清晰明了，部件的名称可以通过标注加以说明，此外，部件的添加和增减以及参数的修改都非常的便捷，只需通过简单的鼠标操作就可以实现，大大简化了整个建模过程和模型的修正过程。整个模型可看成一系列带流量、压力、温度参数原件的串联和并联，以风扇的出、进口作为模型的起始点，那么该两点的流量恒相等，压差为风扇的全压升，换热效率由冷却水进出口温度、流量和换热时间决定，最终仿真计算得到的各通道流量、压力、温度分布应满足收敛性要求。对于设计和校验的工程师而言，Flowmaster是非常实用的CAE工具，能极大的提高试差分析的效率。

上端盖区域包含从装料室经顶部孔盘经上端盖冷却之后进入到发热体通道之前的部分，上端盖的换热效率通过CFD计算获取。

图2为装料室及冷却通道区域Flowmaster计算模型。此部分包含装料室通道T1、循环通道T2、冷却通道T5以及冷却水通道等。由于Flowmaster的热交换计算都是在节点上完成的，因此根据系统特性，沿流动方向将系统离散为10个彼此串联的单元，冷却水套的换热效率通过CFD计算获取。

底部端盖及掺混区域部分包含风扇、热掺混通道T3、隔热屏通道T4、冷掺混通道T6、混合区、循环风扇、下端盖等，其中循环风扇的压头特性通过CFD计算获取。

3.4 仿真结果及分析

经初步调试，系统能够满足收敛性要求，图3至图5所示分别为系统流量、压力及温度分布显示效果。

4 效果

采用上述Flowmaster的仿真过程，可以得到714K热等静压机URC冷却系统在不同工况下气体的流动与换热特性以及各种参数的分布与变化情况，具体如下：

(1)得到热等静压机工作缸内各监测点的温度、压力分布状态和曲线，以及混合装置驱动氩气循环时各装置、通道氩气流动状态，发现在极限状态下，工作缸冷却水流量最大，并比较计算结果符合性。

图2 装料室及冷却通道区域Flowmaster计算模型Figure 2 Flowmaster calculated model of charging chamber and cooling channel zone

图3 装料室通道T1及发热体通道局部体积流量分布Figure 3 Local volume flow distribution of charging chamber passage T1 and heating unit passage

(2)在带载分析时，得到了热等静压机工作缸内各监测点的温度、压力分布状态和曲线，以及混合装置驱动氩气循环时各装置、通道氩气流动状态。

图4 装料室通道T1及发热体通道局部压力分布Figure 4 Local pressure distribution of charging chamber passage T1 and heating unit passage

图5 装料室通道T1及发热体通道局部温度分布效果Figure 5 Local temperature distribution effect of charging chamber passage T1 and heating unit passage

(3)通过对自然冷却过程的模拟，获得了热等静压机工作缸内各监测点的温度、压力分布状态和曲线，以及热等静压机自然冷却时各装置、通道氩气流动状态。

(4)可以通过安全分析和失效模式的分析，获得热等静压机在极限状态下工作缸内套和循环风扇热应力分布、工作缸内套内壁和外壁温度分布趋势。并可以进行工作缸内套热应力分布、工作缸内套内壁和外壁温度分布趋势和工作缸寿命、疲劳和安全性分析。

5 结论

通过Flowmaster软件对714K热等静压机的复杂结构中氩气的流动与换热特性进行模拟，研究结果表明，该软件可以较好地模拟出热等静压机内主要特征区域的温度和压力分布，以及在不同的流动结构中的流动损失特性。因此证明了Flowmaster软件对于热等静压机内的复杂流动与换热特性的研究是适用的，获得的研究结果通过实验验证和修正后，可以为建立热等静压机的设计系统提供基础的数据。

[1] 刘平，曹伟忠.提高我国高压超高压液压件铸件质量的必备设备(HIP)热等静压机[J].液压气动与密封，2012(7)：49-51.

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[3] 詹志洪.热等静压技术和设备的应用与发展[J].中国钨业，2005，20(1)：44-47.

[4] 张义文.热等静压技术新进展[J].粉末冶金工业，2009，19(4)：32-40.

[5] 谌启明，杨靖，单先裕，等.热等静压技术的发展及应用[J].稀有金属与硬质合金，2003，31(2)：33-38.

[6] 刘朗明，李晨辉.QIH-62型热等静压机性能介绍[C].2003年全国粉末冶金学术会议.

[7] Flowmaster V7.9.1 power reference help [M].US:Mentor Graphics Corporation，2013.

[8] Flowmaster V7软件模块及其新功能[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006(12)：34-37.

[9] 党德功，张天强，高清秀，等.使用Flowmaster模拟和优化柴油机的供油系统[J]．铁道机车车辆，2003(S1)：116-120.

编辑 杜青泉

Application of Flowmaster in Hot Isostatic Press Cooling System Simulation

He Xiao,Wu Xiaoping,Zhong Yongxue,Xing Wentao

Characteristics of Flowmaster of thermal fluid system simulation platform has been described.Based on principle of 714K hot isostatic press uniform rapid cooling system,three dimensional simulation model has been established in Flowmaster,which simulated gas flow and heat transfer features of 714K hot isostatic press uniform rapid system under various working conditions as well as respective distribution and changing situation of parameters,it could work out temperature,pressure distribution status and curve of each monitoring spot for hot isostatic press working cylinder in the processes of no-load analysis,load analysis,natural cooling and safety analysis as well as argon flowing situation in various device and channel when argon was being circulated by mixed device.

hot isostatic press; Flowmaster; numerical simulation

2016—10—10

TF124.3

A