基于Fluent大型液氮深冷處理設備仿真分析

張 晉, 顧志聰, 李 揚, 崇銀鵬

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

液氮深冷處理是指利用液氮(LN2)作為冷卻介質，常常以液體氮氣或者氣體氮氣的方式對金屬材料進行降溫，使之溫度控制在-173℃或-153℃以下，進而提高金屬力學性能的一種加工工藝[1-4]。其作用機理是通過超低溫作用，促進金屬生產過程中形成的殘余柔軟奧氏體組織轉變為堅硬的馬氏體組織，減少金屬材料不穩定程度，提高其強度和硬度以及耐磨性能[5-8]。深冷處理工藝不但可用于機械加工行業當中的高強度工具鋼，軸承用鋼處理，此外也用于航空航天領域當中高性能特種鋼與有色稀有金屬鋼材處理當中。液氮深冷處理工藝的優越性也充分地表明深冷處理具有相當的發展前景。

隨著液氮處理工藝的在各個領域的廣泛應用，為了能夠更加有效進行深冷加工處理，對于液氮深冷設備的設計分析則至關重要。相關專家學者對于超低溫液氮深冷領域的相關設備的設計與分析也進行了不少研究，李娟等[9]針對LNG天然氣存儲罐材料的雜質凈化處理，設計液氮凈化處理設備并分析其性能；此外顧開選等[10]與宋寶敬等[11]對于傳統規格液氮深冷設備內部裝置進行優化設計與分析；承磊[12]針對太空中低溫環境的模擬出發，仿真設計了中小型的雙介質液氮/液氦模擬試驗箱；夏雨亮[13]設計并研發了規格較小的低溫閥門的液氮深冷處理設備。由于近年來我國在航空航天以及機械制造和材料加工等領域飛速發展，不僅對金屬工件性能的要求越來越高，同時對工件尺寸規模需求也不斷提高，但是目前的中小型液氮深冷處理設備不能滿足這樣的需求,亟需研發超大型液氮深冷設備來解決這一矛盾。然而，目前國內外對于超大型液氮深冷設備設計與開發的相關研究較少。因此，本文基于大型通用流體技術軟件Fluent，研究超大型液氮深冷設備的仿真分析方法，彌補超大型金屬工件深冷加工領域的技術空白。

1 超大型液氮深冷設備設計

1.1 設備組成布置

所謂的深冷處理，是指以液氮為制冷劑，在低于-196℃的溫度環境對工件進行處理的方式，使工件的強度與硬度均不降低的情況下，提高工件韌性。本文介紹的深冷設備在鄂州深冷項目中有實際投用，現場實際圖片如圖1所示。深冷設備總體分為箱體結構和降溫系統兩部分：深冷箱箱體采用整體式組合結構，外形尺寸設為14 m×7 m×3.5 m，內部空間尺寸則考慮設置為12 m×6 m×2 m。其他構件具體尺寸如圖1所示。根據計算得空間可利用體積為168 m3，基本能夠滿足大型金屬零部件深冷處理的需要。設備箱體下部采用底座槽鋼，其材質選取為A3鋼材；而設備外箱體采用304不銹鋼發紋板，厚度設置5 mm，另一方面內箱體采用304不銹鋼發紋板，厚度設置10 mm。材料選取為厚度為5 mm和10 mm厚不銹鋼發紋板材；在內外壁之間充填保溫材料，采用耐低溫泡沫玻璃，厚度設置為200 mm，加層用耐低溫聚氨酯發泡填充，主要目的是起保溫隔熱和支撐被加工金屬件的作用；此外整個設備主要由風道循環系統、液氮霧化系統、電路控制系統等組成，選用德國西門子控制系統設備實現上述功能。

(a)正視

(b)俯視

(c)側視圖1 大型深冷處理設備示意圖

對于風機和液氮入口的數量和位置設計，考慮到箱內空間長達12 m，寬6 m，若在長度12 m方向設置噴頭和風機，則會導致送風路徑太長，并造成空氣循環不充分，箱體中部降溫不徹底以及箱內溫差偏大等不利情況。針對上述問題，課題組開展了周密的研究和論證，提出可將風機于沿寬度即6 m方向布置，其位置見圖1中正視圖與側視圖，并在箱體兩側通過液氮入口同步噴射液氮和送風，此外在液氮入口設計采用電磁閥控制裝置，該裝置內置于液氮入口當中，將電磁閥裝置與外部降溫裝置連接，從而通過外部控制裝置實現對箱內液氮進氣速度的控制，這樣可以最大限度地縮短空氣循環路徑。

此外，為了對箱內氣體流動狀態的有效控制，并且在最大程度上對整個內部空間實現降溫的同時提高溫度均勻性，在設備箱體中配置了混氣室。如圖1中側視圖所示，液氮經過特制噴頭噴入混氣室內，迅速汽化為低溫氮氣，并與混氣室內氣體混合，由風機送入箱內，與金屬工件熱交換后，再返回混氣室，這一過程循環往復。通過變換兩壁風機送風方向，如圖2所示，可以實現兩種氣體流動模式，并且還可以根據金屬工件外形構造選擇合適的模式。混氣室能夠阻擋液氮直接噴射到工件上，故能有效防止局部溫度過低對工件造成不利影響。

(a) 兩側風機對向送風

(b) 兩側風機同向送風圖2 深冷設備測試氣體循環側向示意圖

1.2 工作原理

超大型液氮深冷設備的深冷工藝采用風冷與液冷組合的處理方式，在各個降溫階段中環境溫度所涉及到熱力學方程分別如下所示：

1)風冷降溫階段 在該階段，外界輸入-196℃的液氮經進液氮入口的氣孔進入箱體，從特制的霧化噴嘴噴出，迅速汽化為接近-196℃的低溫氮氣，由液相轉變氣相的過程當中要吸收汽化潛熱，此后低溫氮氣箱內氣體混合，通過定壓過程進一步吸收熱量，上述過程可用式(1)描述:

Q氮=H氮+c氮(T氣+196)

(1)

式中：Q氮為液氮單位制冷量，kJ/kg；H氮為液氮汽化潛熱，199.2 kJ/kg；c氮為氮氣的定壓比熱容，1.04 kJ/(kg·℃)；T氮為低溫氮氣與箱內氣體混合后溫度，℃。

隨著液氮的通入，箱內氣體溫度不斷下降，與工件和箱壁間產生溫差，箱內氣體和工件與內箱壁間通過對流換熱，基于牛頓冷卻定律[14]，熱交換流量為：

q工=h工(T工-T氣)

(2)

q內壁=h內壁(T內壁-T氣)

(3)

式中：q工為金屬工件的熱流密度,J/m2·s；q內壁為箱內壁的熱流密度,J/m2·s；h工為工件的對流換熱系數,J/(m2·s·℃)；h內壁為箱內壁表面的對流換熱系數,J/(m2·s·℃)；T工為金屬工件表面溫度，℃；T內壁為箱內壁表面溫度，℃。

通過對流換熱方式，使金屬工件與箱壁溫度下降，從而達到降溫的目的。此外式(2)也表明，工件表面的對流換熱系數決定了工件降溫的速率，并且在沒有額外輔助的情況下，自然對流的換熱系數很低，工件降溫的時間也將非常漫長。通過箱體中設置的風機對箱內空氣進行攪動，以強制對流方式提高工件表面換熱系數，從而加速箱內氣體和工件的熱交換速率，提高降溫效果。與此同時箱內空氣循環的加強，還有助于提高箱內溫度均勻性，取得更加優秀的降溫效果。

此外，箱外壁與外界也存在對流換熱過程：

q外壁=h外壁(T環境-T外壁)

(4)

由于箱壁內外存在溫差，箱壁中也存在熱量的傳遞，此外根據傅立葉定律[15]，熱量傳導滿足如下關系：

(5)

式中 ：q傳為熱傳導速率,W/(m2·K)；k為箱壁材料的熱傳導系數,W/(m·K);A為箱壁表面積，m2;d為箱體厚度，m。

從式(4)和(5)可以看出，箱壁從外界吸收熱量并傳入箱內，如果不能妥善控制傳熱量，將會浪費大量液氮，增加深冷處理成本。因此需要采用導熱系數較低的材料，減少箱壁中的熱量傳遞，減小外壁與環境的溫差，提高箱體保溫性能。本深冷裝置采用雙層不銹鋼板夾200 mm耐低溫泡沫玻璃的保溫方案，泡沫玻璃導熱系數很低，一般在0.058 W/(m·℃)，通過足夠厚度的保溫層，盡最大限度減少箱內外熱交換問題。

2)浸泡降溫階段 在風冷降溫達到臨界溫度時，噴射液氮已無法有效降低金屬工件的溫度，此時通過智能溫控系統轉換制冷模式，通過專用泵機迅速在箱內灌注大量液氮，將工件浸沒在液氮中，金屬工件與液氮直接進行換熱，可以較為迅速的達到-196 ℃的低溫。

另外此實驗中氣冷涵蓋了大部分過程，在降溫至-170 ℃以下才轉為液冷，液冷的主要目的是繼續降溫至-196 ℃和保溫，故猜測數值模擬分析未涉及液冷。

2 超大型液氮深冷設備仿真分析方法

2.1 幾何建模與網格劃分

基于通用流體仿真軟件Fluent對于超大型液氮深冷設備進行流體動力學仿真分析與流固耦合仿真分析。通過建立數值仿真模型并仿真分析，可得到箱內降溫速率，液氮流場以及溫度均勻性等情況。為更加真實反映設備運行情況，參照設計尺寸一并考慮大型金屬件進行幾何建模，模型情況如圖3所示。在幾何建模完成之后對其進行網格劃分，可得到如圖4所示的模型網格，通過Fluent軟件自動統計數據功能得到整個網格共計974 734節點，498 904單元，其數量能夠保證對于超大型深冷設備仿真分析的計算精度。

圖3 分析幾何建模

圖4 模型網格

2.2 建立仿真計算模型

采用Fluent 中的壓力基(Pressure-Based)求解器，并以紊流模型(Realizable k-epsilon)為主；考慮到導入液氮于設備內，進行降溫過程存在氣液兩相變化問題，結合離散相模型(簡稱DPM)，通過使用離散顆粒模擬液氮噴霧這一過程。此外利用離散液滴法(簡稱DDM)來計算液氮粒子經液氮入口噴射于箱體后的一系列運動軌跡、汽化過程以及動量、熱量和質量的傳遞；基于離散相模型，進一步采用組分輸運模型(Species Transport)，來模擬氮氣和空氣的混合熱交換過程。

氮氣、液氮和鋼材等材料參數的選取采用Fluent材料庫中相對應的材料類型，另一方面針對箱體導熱實際狀況，考慮到實際箱體保溫性能可能很難達到理想情況，保守起見則導熱系數在0.058 W/(m·℃) 的理論值基礎上增加一倍， 取0.116 W/(m·℃)。

模型邊界條件設置如圖5所示，其中inlet為液氮入口，設置為離散顆粒入口，通過編寫UDF程序來近似模擬溫控系統對于液氮進入量的控制，實時調整入口質量流量，確保箱內環境降溫速率接近0.5℃/min；outlet為泄壓口，設置為壓力出口(Pressure-outlet)邊界，出口壓力設置為0；fan為風機出風口，采用Fluent提供的風扇(fan)邊界條件模擬；plate為混氣室的擋板，設置為壁面(wall)邊界；模型整個外表面為壁面(wall)邊界，利用殼層傳導(Shell Conduction)功能設置好三層壁面厚度及材料；此外對于熱邊界設置，工件和流場之間采用耦合邊界，外表面采用對流邊界，環境溫度設為30 ℃，對流換熱系數取30 W/(m2·℃)。箱內初始介質為空氣，并且初始溫度設置為30 ℃。

圖5 邊界條件設置

2.3 仿真結果

對于上述建立的Fluent相關模型進行求解計算，則可以模擬出在整個降溫全過程箱內氣體流動狀態以及內部環境溫度以及工件溫度變化情況。在圖6和圖7中分別給出了某一典型時刻箱內氣體流動的流線圖和流速矢量圖，表明在整個降溫過程當中液氮與空氣的混合氣體流動與速度整體比較均衡，能夠保證在在超大尺寸空間中覆蓋至離入口較遠的邊角位置。

圖6 箱內氣體流線

圖7 箱內氣體流速矢量

在圖8當中給出了箱內280 min、460 min、1000 min、1300 min時刻的內部環境以及金屬工件的溫度分布狀態圖，隨著環境溫度的不斷降低，箱內環境溫度以及金屬件的溫度也在不斷的降低，最終在第1300 min時基本降低到-196 ℃左右。此外所選取四個時刻的金屬工件溫度均較為均衡，表明溫度差異產生的溫度應力能夠得到有效避免。圖9給出了箱內環境和工件平均溫度隨時間變化。對于金屬工件而言，由于并沒有直接與液氮進行熱交換，金屬工件溫度穩定下降的主要原因是金屬工件中的熱量傳遞給了液氮汽化的低溫氮氣和空氣的混合介質中，且降溫速度保持0.3 ℃/min。就金屬工件而言，剛開始的時候其內部環境溫度下降十分迅速，其速率為0.8 ℃/min，到第300 min時刻則降溫速度大幅度放緩，這表明在風冷降溫階段，液氮快速汽化產生的低溫氮氣與空氣相互混合進行熱交換，此外通過引氣室與風機的配合作用，由點及面，低溫范圍不斷擴大，致使內部環境溫度迅速下降并接近于氮氣液點-196 ℃，但由于汽化形成的氮氣溫度始終要高于液氮溫度，那么在第300 min時刻出現風冷降溫速率的極限，此時通入液氮進行浸泡才能夠繼續降溫，完成深冷處理過程。

(a)280 min

(b)460 min

(c)1000 min

(d)1300 min圖8 箱內各時刻溫度分布狀態

為了能夠更加客觀分析內部溫度均勻程度，如圖10所示，在箱內隨機選取了15個溫度測點，針對每個測點，提取350 min時間段其溫度隨時間變化的數據，如圖11所示。由于自350 min后箱內溫度已經基本穩定在-190 ℃以下，圖中只給出了前350 min的溫度變化。從圖中可以看出，在整個降溫過程設備箱體內各點溫度都在不斷的下降，且不同測點間溫差不超過10 ℃，表明偏差值較小，箱內空氣循環流暢，溫度分布均勻，箱體設計方案合理，可以為實際超大型液氮深冷箱體設計提供參考。

圖10 箱內隨機溫度測點布置

圖11 箱內溫度隨時間變化曲線

2.4 現場實驗效果

湖北工業大學極端溫度環境研究中心在鄂州深冷項目實驗中使用到了該深冷設備。

從圖12-圖13可以看出，針對該箱體中的工件，在降溫階段，工件首先進入氣冷狀態，隨后通入液氮，箱底部的測點(如測點1、測點6)降溫速率較快，較高位置的測點前期降溫速率較慢(如測點3)；在300 min以內所有工件表面溫度均達到-196 ℃，且各測點被液氮完全浸泡后的時間超過30 min，滿足技術要求。自降溫-196 ℃并維持30 min之后開始回溫。

圖12 鄂州深冷實驗設備

(a)第一輪

(b)第二輪

(c)第三輪圖13 深冷箱工件三輪溫度-時間曲線

綜合試驗數據結果表明：在本次深冷操作過程中，降溫速度、深冷保溫時間、回溫速度等各項指標，均符合深冷處理工藝規定要求，達到預期深冷處理目標。

3 結論

1)在超大型深冷設備設計時需要考慮超大尺寸下空間溫度變化的均勻不足的問題，通過設置混氣室并結合鼓風機等裝置，形成循環風道，并使得超低溫氮氣能夠充分與空氣混合，從而實現對工件的逐漸降溫。參照內部流場狀態仿真分析可知，這一措施能夠有效解決上述問題。

2)基于流體仿真軟件Fluent，開展流體力學和流固熱耦合分析。通過建立數值仿真模型，計算得到氣體流場，流速以及箱內降溫速率和降溫均勻性等分析結果，分析表明內部氣體流場和流速矢量較平穩，基本能夠覆蓋到整個箱體，并沒有出現氣流紊亂的情況。此外箱內和工件的溫度分布和溫度下降速率也較為均衡，這一狀態能夠有效避免溫度不均產生溫度應力。

3)為了更好的達到使用單位的特殊試驗要求，在后期實際建設中，應當與使用單位進行溝通并且結合實地考察的結果來討論確定最終參數及設備功能要求。該項目將涉及到機械，航空航天以及建材等領域，可以將這些領域的零部件及材料進行極端溫度試驗，從而能夠滿足各種國標、軍標要求。