滲碳爐噴嘴流場的數值模擬

施徐明，楊 帆，叢培武，王建軍

(1.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819;2.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093;3.北京機電研究所，北京 100083)

滲碳爐噴嘴流場的數值模擬

施徐明1，2，楊 帆2，叢培武3，王建軍1

(1.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819;2.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093;3.北京機電研究所，北京 100083)

利用有限體積法對控制方程進行離散，并采用非結構化網格劃分流動區域，對某大型滲碳爐噴嘴內及其周圍區域流場進行了數值模擬研究.分別比較分析了兩種不同結構噴嘴在滲碳爐內所形成的流場和溫度場分布，探討了不同流量工況對噴嘴周圍流場和溫度場的影響.計算結果表明:多孔噴嘴比簡單的單孔噴嘴能更好地組織起滲碳爐內的流場和溫度場，不同的流量工況對于滲碳環境有較大的影響.本文的模擬結果對滲碳爐的設計和生產具有一定的指導意義.

滲碳爐;噴嘴;流動;傳熱;數值模擬

真空滲碳爐由于作業環境優良、熱處理后零件質量高，目前已普遍應用于各種工業產品的滲碳熱處理中，如汽車的動力傳動部件及燃料系統部件，航空、航天器的傳動及動力系統部件以及其他諸如液壓泵凸輪、軸承、閥門等.隨著滲碳爐生產規模的擴大和自動化程度的提高，工件的滲碳質量也越來越被關注.但是，由于設備的設計及工藝等諸多方面原因，往往會產生滲碳不均勻的現象，其主要原因是由于爐內氣流分布不均以及由此造成的爐內溫度分布不均.迄今為止，這類工業爐主要依靠冷態及熱態實驗來確定運行和設計參數，但實驗周期較長、耗資巨大，且對真空滲碳工藝特點難以獲得全面的了解［1～4］.

本文利用CFD軟件Fluent，針對某大型真空滲碳爐內噴嘴及其周圍區域流場進行了數值模擬研究.采用有限體積法對控制方程進行離散，采用非結構化網格劃分流動區域.據此計算得到了圓筒形滲碳爐噴嘴處流場、溫度場分布情況;計算結果對真空滲碳爐的設計和生產具有一定的指導意義.

1 數理模型

本文計算對象為某圓筒形真空滲碳爐的噴嘴，爐膛周圍沿軸線方向布有4排、每排沿周向均勻分布有9個噴嘴，借以造成爐內氣體強制流動，加強對流傳質傳熱.

1.1 數值模擬的基本假設

滲碳工藝的基本過程是:將常溫滲碳氣體通入滲碳爐內，爐內高溫環境促使滲碳氣體分解，并與工件作用以達到滲碳目的.基于這一過程，本文在數值模擬過程中設定如下基本假設:

(1)流場滿足定常、可壓縮條件;

(2)噴氣口為定常熱流熱源;

(3)忽略熱輻射的影響;

(4)忽略重力的影響.

1.2 控制方程

描述氣體流動和傳熱的控制方程如下所列［5～7］:

式中:T為流體溫度;k為流體的導熱系數，cp為流體的熱容，Φ為耗散函數［5］.

計算中采用有限體積法對這組方程進行離散，并采用非結構化網格來劃分噴嘴計算區域.

1.3 計算區域和網格

本文計算的噴嘴實體模型與網格劃分如圖1和圖2所示，對(A)(B)兩種不同結構的噴嘴分別進行了計算，計算所用網格為非結構化網格.噴嘴(A)有一個進口和20個方向各異的出口(見圖1(b))，出口在圓周面上均勻分布，孔徑為2 mm，計算區域內網格總節點數為27 961.圖2所示的減縮型噴嘴(B)有一個進口和一個沿X方向的出口(見圖2(b))，出口半徑為4.5 mm，計算區域內網格總節點數為20 338.兩噴嘴的出口面積、進口流量、進出口壓力和工作溫度均相同.

計算所用邊界條件如下所列:

進口:給定質量流量Q=9.6×10－6kg/s

2 計算結果及分析

2.1 不同結構噴頭對流場的影響

圖3(a)和(c)分別為噴嘴(A)和噴嘴(B)內部和出口的壓力分布云圖，圖3(b)和(d)對應為從噴嘴進口(x=－0.02 m)到噴嘴出口(x=0.02 m)流線上的壓力變化.

由圖3可知，在兩種噴頭出口附近，滲碳氣體壓力都能夠降低到滲碳爐內的工作壓力.不同之處在于:噴嘴(A)的膨脹過程完全在噴嘴出口前的流道內完成;噴嘴(B)的一部分膨脹在噴嘴的減縮通道內完成，另一部分則在噴嘴外完成.因此，在噴嘴(B)的出口附近，滲碳爐內的壓力場有非常微小的擾動.

圖3 不同結構噴嘴壓力分布云圖和流線上的壓力變化Fig.3 Pressure distribution and the corresponding changes along streamlines of different nozzles(a)(c)—噴嘴A、B內部和出口的壓力分布云圖;(b)(d)—噴嘴A、B進出口流線沿X軸的壓力變化

如圖4所示，滲碳氣體在噴嘴(A)中膨脹，氣體僅在X方向上和R方向上的分速度迅速增加，而θ方向上的分速度在零值附近僅有很小的波動，如果忽略計算誤差，理論上θ方向上的分速度為零.噴嘴內圈流道X方向分速度最大，外圈流道R方向分速度最大，由于在噴嘴中圈流道和外圈流道中存在R方向分速度，可以使氣體沿徑向擴散，有利于在噴嘴周圍組織起均勻的滲碳氣體流場，這適用于對整體工件表面進行滲碳.滲碳氣體在離開噴嘴進入爐膛以后，R方向和X方向分速度迅速耗散.

如圖5(a)(b)所示，滲碳氣體在噴嘴(B)中膨脹，但只有X方向的分速度迅速增加，而Y和Z方向的分速度始終為零.在噴嘴出口處形成射流流場，噴嘴出口速度達到最大30 m/s，由于動量的橫向傳遞，卷入爐膛內的原趨于靜止流體隨射流向前流動，導致滲碳氣體動量減小而失去速度，形成一定的速度梯度.卷吸和摻混的結果使射流斷面不斷擴大，而流速則不斷降低，流量沿程增加.

比較圖5(a)和圖5(c)，可知噴嘴(B)的速度分布云圖與溫度分布云圖具有一定的相似性.射流區域內出現低溫區，在射流核心區域溫度為400～550 K，嚴重破壞了滲碳爐內的溫度場的均勻分布，可能導致滲碳效率降低和滲碳不完全.

對比噴嘴(A)和噴嘴(B)，由于噴嘴(A)的外圈流道和中圈流道中的滲碳氣體有相應的徑向分速度，更有利于滲碳氣體向爐膛內均勻擴散.噴嘴(B)所形成的射流流場不僅嚴重破壞了爐膛內的溫度場，而且射流所形成的單方向性流場不利于滲碳氣體及時向爐膛內擴散，容易形成局部積碳.

2.2 不同流量對流場的影響

計算了噴頭(A)在兩種不同流量工況下對滲碳爐內流場產生的影響，質量流量分別為Q1=9.6×10－6kg/s和 Q2=6×10－5kg/s.滲碳爐內的工作溫度均為 T=1 123 K，工作壓力 P=3 000 Pa.

圖4 噴嘴(A)的速度分布云圖和流線上的速度變化Fig.4 Velocity magnitude distribution in nozzle A and velocity components distribution along the streamlines

比較不同流量工況下噴嘴(A)的溫度分布云圖可知，在流量相差一個數量級的條件下，流量的變化對滲碳爐內的溫度分布影響較大，在噴頭出口周圍存在一個較大范圍的低溫區，流場核心區域溫度最低.流量為Q1=9.6×10－6kg/s時，流場核心區域溫度約為800 K;流量為Q2=6×10－5kg/s時，流場核心區域溫度約為600 K;而滲碳所要求的溫度是1 123 K.因此，噴頭周圍的低溫區域對于爐內溫度場具有一定的影響.

由圖4(b)可知，當流量為Q1=9.6×10－6kg/s時，噴頭(A)出口處最大速度達到8.0 m/s，噴頭出口后面的流場平均速度為0.4 m/s;而當流量為Q2=6×10－5kg/s時，計算得到噴頭出口處最大速度達到26.0 m/s，噴頭出口后面的流場平均速度為2.5 m/s.由此可見，不同流量可以在滲碳爐內形成具有不同速度分布的滲碳氣體流場.在滲碳過程中，既要求從噴頭出來的氣體具有一定的速度以形成均勻流場，使滲碳氣體到達工件表面，又不希望氣體具有太大的速度，使滲碳爐內形成擾流，破壞穩定的滲碳工作環境.所以，根據工件的滲碳量、滲碳工作壓力和滲碳溫度選擇合理的滲碳氣體流量具有一定意義.

進一步對比噴頭出口的流場和溫度場，可以發現流場的速度梯度變化和溫度梯度變化具有一定的相似性，并且溫度梯度在速度切線方向上較大，而在速度法向上卻很小.這是因為氣體的導熱系數和對流換熱系數很小，處于靜止狀態的高溫氣體，由于與噴嘴周圍流場有速度差，高溫流體被吸入低溫流場中與低溫氣體發生摻混，滲碳氣體溫度由于熱量交換而升高.流場中的氣體與原來滲碳爐內靜止的氣體進行動量的交換，使滲碳氣體的速度逐漸降低.

3 結論

本文應用數值計算方法研究圓筒形滲碳爐噴嘴內的流動傳熱過程，得到了流場和溫度場分布，對真空滲碳爐的生產和設計具有一定的指導意義.

(1)分析比較了流經20孔和單孔兩種不同結構噴嘴的氣體在滲碳爐內所形成的流場和溫度場分布.由于噴嘴出口處速度方向的單一性不利于滲碳爐內的流場組織，而20孔噴嘴能夠有效地組織起爐膛內的流場，因此多孔噴嘴比單孔噴嘴更有利于爐膛內滲碳氣體的流場組織.

(2)分析比較了多孔噴嘴在不同流量工況下的流場，流量的大小對噴嘴周圍的流場和溫度場具有很大的影響.實際生產中，應根據工件的滲碳量、滲碳工作壓力和滲碳溫度選擇合理的滲碳氣體流量.

采用CFD技術進行爐內流動、傳熱的分析，不僅參數適用范圍廣，而且還可得到某些極限情況下的結果.此外，為完成爐內完整的滲碳過程預測，則必須進一步進行爐內傳熱和流動特性與爐內相變過程相互耦合的研究.

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Computational fluid dynamics simulation on nozzles of carburizing furnace

SHI Xu-ming1，2，YANG Fan2，CONG Pei-wu3，WANG Jian-jun1

(1.Key Laboratory for Anisotropy ＆Texture of Materials，Ministry of Education，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;3 Beijing Research Institute of Mechanical＆Electrical Technology，Beijing 100083，China.)

In this paper，fluid flow as well as heat transfer was analyzed using computational fluid dynamics(CFD)simulation for the regions nearby and inside of nozzle in the carburizing furnace.The governing equations were discretized using the finite volume method.The unstructured grids were used to deal with the irregularity of computational domain.Flow patterns and temperature distributions of two types of nozzles with different structure were analyzed and compared.Moreover，the influence of different flow rate on fluid flow and temperature fields were simulated and discussed.According to the results，it is indicated that the flow pattern and temperature distributions with multi－hole nozzle are more desirable for the requirement of carburizing process than those with a simple solo－hole nozzle.Flow rate of carburizing gas affects the process of carburizing treatment greatly.These simulation results are expected to provide valuable references to the design optimization and manufacturing of carburizing furnace.

carburizing furnace;nozzle;fluid flow;heat transfer;numerical simulation

TG 155.1

A

1671-6620(2011)03-0231-06

2011-05-31.

國家科技重大專項項目 (2009ZX04008－021);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目 (N090402005).

施徐明 (1986—)，男，上海人，碩士研究生;王建軍 (1974—)，男，湖北大冶人，東北大學副教授，E－mail:wangjj@smm.neu.edu.cn.