利用SolidWorks 中附帶的CFD 插件Flow Simulation 分析VQG- 446 真空高壓氣淬爐在氣淬時流運動情況。結(jié)果證明：Flow Simulation 不但能夠模擬高壓氣淬時的氣體流動狀況，而且與其它CFD 軟件相比有操作簡化、上手快、學習成本低等特點。特別適合在一線工程師應用于工業(yè)設計中，以達到提高工作效率的目地。

　　CFD(計算流體力學)軟件是CAE 軟件中的一個重要分支。長期以來因其復雜性而未獲得很好的推廣，尤其在廣大一線機械工程師隊伍中推廣使用范圍還不大。當然其中還有一些其它關(guān)鍵因素， 使得CFD 軟件(或者說CAE 軟件中的CFD 功能)未能很好的服務于工業(yè)設計。例如，當下幾乎所有的專業(yè)CFD 軟件都對中文支持不好，長期沒有中文版，對于一些英語功底不好的優(yōu)秀工程師來說是一項巨大的學習障礙。其次，很多專業(yè)軟件功能強大，但操作很不人性化，不利于工程應用。真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認為以目前國內(nèi)主流的ANSYS ( 其中包含F(xiàn)LUENT)為例，軟件操作不人性化，不符合時代的發(fā)展;數(shù)據(jù)庫不完善，這也大大增加了一線工程應用中的成本。

　　Flow Simulation 是世界知名三維設計軟件SolidWorks 中的流體分析插件，可以與SolidWorks進行數(shù)據(jù)上的無縫鏈接。SolidWorks Flow Simulation 流體仿真軟件去除了一般計算流體力學軟件的復雜性，功能自然不及專業(yè)CFD 軟件，但可以讓工程師快捷地仿真對設計至關(guān)重要的流體流動、傳熱和流體作用力，模擬真實條件下的流體流動，運行“假設條件”的情況，并快速分析浸潤零部件或周圍零部件上的流體流動、傳熱和相關(guān)作用力的影響，解決實際問題，提高工作效率。

1、模擬對象與邊界條件

　　利用SolidWorks Flow Simulation 分析VQG- 446真空高壓氣淬爐中的氮氣流動情況，另一方面也探究了Flow Simulation 在實際工程應用的可行性，有利于以后的推廣及使用。

圖1 VQG- 446 淬火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

　　爐內(nèi)風冷系統(tǒng)主要由風機、換熱器及風管等組件構(gòu)成。其中爐內(nèi)共有12 根風管，每根風管有六個噴嘴。工作時由風機吹出的氣體經(jīng)風管進入均溫區(qū)對工件進行淬火，隨后通過換熱器將氣體冷卻，反復如此，使爐內(nèi)氣體不斷循環(huán)，對工件進行急冷，達到淬火的目的。還可根據(jù)工件熱處理的工藝要求對冷速作以調(diào)節(jié)，以適應不同的工況。

　　本次模擬的研究對象為爐內(nèi)氣流瞬態(tài)的運動狀況。根據(jù)其流動傳熱的特點，對模型做以適當?shù)暮喕�，忽略瞬態(tài)氣體熱交換對氣流的影響。模擬工況及邊界條件盡量選取真實情況的數(shù)值進行模擬。

　　模擬工況及邊界條件如下：

　　(1)淬火工件在400 mm×400 mm×600 mm的均溫區(qū)內(nèi)，淬火氣體為氮氣，工作壓力為0.5 MPa。

　　(2)初始溫度為50℃，均溫區(qū)為1200℃。

　　(3)進口邊界條件：6000 m3/h(1.667 m³/s)風機的鼓風量可以按如下公式進行計算：由風量計算公式：

Q = 900πD2²×U2×Φ(m³/h)

　　其中Q - 流量(m³/h);D2 - 葉輪葉片外緣直徑(m);U2 - 葉輪葉片外緣線速度(m/s);Φ - 流量系數(shù);

　　(4)VQG- 446 采用的是標準9- 26 型風機5#葉輪，所以在標態(tài)下的流量可以按上式計算，也可查《風機手冊》獲取數(shù)據(jù)。因?qū)嶋H情況的不同，在不同原動機的情況下，9- 26 型風機的風量從4793 m³/h 到6762 m³/h 不等。考慮到設備的實際上VQG- 446 配備了90 kW 大功率電機，進口氣體流量設為6000 m³/h(1.667 m³/s)。

　　(5)出口邊界條件：環(huán)境壓力0.5 MPa

　　(6)爐壁為多層碳氈+ 鉬屏的結(jié)構(gòu)保溫效果佳，在模擬中認為是絕熱壁。

　　為了得到更為準確的計算結(jié)果，本次模擬的計算域為整個相關(guān)模型，未采用1/2 或1/4 區(qū)域的模擬方法。這樣也可以衡量Flow Simulation 在處理大量計算時的表現(xiàn)。

2、模擬過程

2.1、使用SolidWorks 建模并適當簡化

　　(1) 根據(jù)設備的實際尺寸，進行三維建模，再將零件組裝成待分析用的裝配體。根據(jù)分析所需的條件及狀態(tài)，對模型進行適當簡化，去除與分析不相關(guān)的部分。最后經(jīng)簡化的模型由風管、加熱室及均溫區(qū)(以長方體代表)組成;

　　(2)由于本次流體分析歸于內(nèi)流分析，所以整個裝配體要構(gòu)成一個封閉的空間，故對風管等零件做封口處理，以滿足模擬分析的要求;

　　(3)保證整個裝配體內(nèi)部空間的貫通性，注意干涉。

圖2 簡化后待分析的裝配體

2.2、Flow Simulation 前處理

　　(1)設定邊界條件：通過風管進入的風量為1.667 m³/h，出口環(huán)境壓力為0.5 MPa;

　　(2)定義熱源：均溫區(qū)溫度為1200℃;

　　(3) 設定表目標：分別為出口處的平均流速和均溫區(qū)表面的平均流速及壓強。

3、Flow Simulation 分析結(jié)果

　　經(jīng)過計算機的運算后，我們得到了其分析結(jié)果。可以通過各種后處理功能來對數(shù)據(jù)進行后處理，得到想要的數(shù)據(jù)或圖表。

3.1、流體軌跡

　　利用Flow Simulation 中的Flow Trajectories 功能可以定義氣流軌跡視圖來觀察到氣體流運狀況。Flow Trajectories 很形象地用線條表示了氣流，用顏色表示流速或氣壓，還可以根據(jù)需要調(diào)整軌跡數(shù)量的多少。

圖3 加熱室內(nèi)部氣流軌跡

圖4 均溫區(qū)上表面的氣流軌跡

3.2、截面圖解

　　使用Cut Plots 可以生成某一截面的速度圖解(也可以是其它相關(guān)參數(shù))，并可以使用矢量功能來指示氣體流動的方向。并且可以通過Probe功能來探測云圖任意點的速度大小(其它參數(shù)亦然)。從圖6 中我們可以觀察到截面氣體流速的分布(矢量箭頭大小代表速度快慢)。

圖5 上視基準面的截面圖解　圖6 風管截面圖解

　　通過Goal Plots 可以生成針對前處理設定的目標的Excel 表格，其中以表格形式列出了計算的結(jié)果并且附上的曲線圖及每次迭代的結(jié)果。這些數(shù)據(jù)對于分析來說是至關(guān)重要的。在實際工程模擬中，可以通過數(shù)據(jù)來為設計做重要參考。

圖7 Goal Plots 生成的部分分析結(jié)果

4、結(jié)論

　　(1)通過軟件的分析之后，可以從后處理中得到想要的結(jié)果。通過與工程實踐的比較證明了Flow Simulation 在分析VQG- 446 真空高壓淬火爐氣流仿真的適用性，同時也證實了VQG- 446 結(jié)構(gòu)設計的合理性。

　　(2)Flow Simulation 與其它CFD 軟件相比具有操作簡單、數(shù)據(jù)交換性好、功能實用等優(yōu)點。通過其向?qū)Чδ芸梢栽诙虝r間內(nèi)學會使用方法,而且它用功能的實用性代替了專業(yè)CFD 軟件復雜性，特別適合一線工程師使用。

　　(3) 由于Flow Simulation 是一款入門級CFD軟件，其專業(yè)性上明顯不及專業(yè)流體分析軟件，對于湍流等模型的分析還有不足之處。

　　致謝：感謝工程科技網(wǎng)(http://www.engscitech.com/)投稿。