淬火过程传热与流动规律数值研究

【摘要】：淬火就是将金属或合金加热到一定温度后，迅速浸入到淬火介质中快速冷却过程。淬火是一项古老的改善金属工件机械性能的工艺，常用来消除内部应力和改善金属的结构以满足需要。 淬火过程研究一直是机械制造及工艺领域内的热点问题。随着计算机技术的发展，数值计算方法得到了空前发展并在各方面取得应用。自20世纪70年代以来，随着计算机技术和热处理技术的不断发展和完善，国内外迅速开展起淬火过程计算机数值模拟技术的应用和研究工作。国内外许多学者对计算机数值模拟技术进行了大量研究并取得丰富的研究成果。 淬火过程是一个复杂的过程，研究内容涉及各个方面，本文主要是针对淬火过程中淬火介质的流动以及液固耦合传热规律进行了研究。本文从基础的质量、动量以及能量守恒定律出发推导了淬火过程中淬火介质的汽液两相流动控制方程组，同时给出了方程组的时均形式，并对定解方程的边界条件和初始条件作了分析。对于多相流动中相间的各种作用力做了详细讨论并根据实际情况进行了必要的假设，由于计算资源和时间的限制，将对计算结果影响较小的项作了简化或忽略。淬火过程中金属的导热与流体的相变及对流传热耦合在一起，使得计算复杂化。本文对金属表面的沸腾情况作了理论分析并选择了相应的沸腾传热关联式，使汽液两相流动的质量方程封闭。 作者根据实际的物理过程，自行设计用户自定义函数来完成有液固耦合传热的有相变的多相流动的数值计算。计算结果表明：金属表面温度随时间的变化曲线与文献中实验数据吻合较好，加热面上的最大和最小热流密度与文献中计算值接近。文中计算方法可以用在金属淬火过程中进行传热传质计算，从而确定金属及合金内的温度场分布。利用计算得到的温度场进行热应力分析。研究工作表明流体流动和传热与固体传热进行耦合计算是可行的，对于实际的物理过程进行精确的模拟还需要进行大量的研究工作。