基于瞬态数值模拟方法的球罐热处理温度场分布研究.pdf

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1、第53卷第4期化　工　设　备　与　管　道Vol.53No.42016年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2016基于瞬态数值模拟方法的球罐热处理温度场分布研究姚志燕，吴晓红，李永泰（合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，合肥230031）摘要：采用瞬态数值模拟的方法，对球罐在热处理过程中壁面温度场的分布及其变化规律进行了研究，比较了在球罐内部设置不同形式的导流伞对球罐内部流场和壁面温度场的影响。结果表明球罐在热处理过程中壁面各点的相对温度是变化的；球罐内部导流伞的设置对燃烧烟气的流场有较大的

2、影响，合理地设置导流伞可以大幅度地提高球罐在热处理过程中壁面温度的均匀性。为球罐热处理壁面温度的均匀化研究提供了思路和方法。关键词：热处理；温度场分布；数值模拟；球罐中图分类号：TQ050.2；TH123文献标识码：A文章编号：1009-3281（2016）04-0017-006球罐是一种重要的储存容器，广泛应用于石油、数值模拟研究均是在稳定状态下进行的，球罐在热处化工、冶金等行业。球罐在焊接制造的过程中，焊理过程中壁面温度的分布可能会发生变化。为更加准接金属收缩以及整个焊接区域的不均匀加热和冷却，确地研究球罐在热处理过程中壁面温度的

3、分布及其会在焊缝附近产生很大的残余应力，有时甚至接近材变化，本文拟采用瞬态数值模拟的方法对球罐在热处[1]料屈服强度的大小。为减小或避免焊接残余应力在理过程中的流场及温度场进行计算和分析，根据其规球罐使用过程中所产生的危害，一般在球罐焊接完毕律提出改进措施并通过计算加以验证。后对其进行焊后整体热处理，相关的国家标准中也对[2]1模型及边界条件球罐焊后热处理作了相应的规定。目前球罐整体热处理主要采用内部喷射燃烧法，1.1物理模型以球罐本身作为炉膛，在球罐下人孔处安装高速喷球罐及人孔结构具有轴对称性，燃烧烟气由下人嘴燃烧器，燃料通过喷嘴高

4、速射入，在球罐内燃烧，孔经球罐内部从上人孔排出，其流场和温度场也具有轴所产生的烟气通过辐射和对流的形式与球罐壁面换对称性，可建立轴对称模型。为减小规模，加快计算速度，[3-5]热，从而达到加热球壳的效果。众多现场经验表明，拟对直径为10000mm的小球罐进行热处理过程数值模这种方法通常会在整个球罐壁面内产生较大的温差。拟分析（为尽可能地反映大型球罐热处理流场、温度对于某些钢种制造的球罐，对热处理温度和热处理过场的分布规律，适当缩小人孔的尺寸）。建立的球罐热程中的升温速度有严格的要求，否则达不到热处理的处理过程数值模拟轴对称模型如图1所

5、示。[6-7]效果，甚至对球罐焊缝造成损害。热处理过程中1.2网格划分球罐壁面内的大温差使得各点的热处理温度和温升网格划分采用结构化网格，通过网格独立性分速度很难同时满足要求，同时过大的温差也可能会在析及计算时间综合考虑，最终模型网格数量控制在球罐中造成较大的温差应力。13000到20000之间，网格大小控制在3mm到5为保证球罐热处理质量，有必要对热处理过程mm之间。中球罐壁面的温度分布规律进行研究。文献[8]对一台2000m3球罐热处理时内部流场和壁面温度场的收稿日期：2016-03-01基金项目：合肥通用机械研究院青年科技基金项

6、目（2013010652）。分布进行了数值模拟研究，并在文献[9]和[10]中提作者简介：姚志燕（1986—），男，安徽歙县人，硕士，工程师。出了改进方案以及对该方案的数值模拟分析。但上述主要从事压力容器分析设计及有限元仿真工作。·18·化　工　设　备　与　管　道第53卷第4期Q5——燃料机械未完全燃烧热损失，kJ；Q6——烟气带走的热损失，kJ。Qm12=vp^hCTvp21-CTv1（2）式中mv——加热宽度内筒体的质量，kg；T1、T2——不同加热阶段球罐壁面平均温度，℃；图1球罐计算模型Cpv1、Cpv2——温度为T1、T2时

7、球壳材料的比热，Fig.1ThecomputationmodelofsphericaltankkJ/(kg·℃)。1.3数学模型及模拟方法验证Qm22=th^hCTpthp21ll-CTth1（3）球罐内部燃烧是非预混湍流燃烧耗散过程，采式中mth——绝热材料的质量，kg；用非预混燃烧模型，系统设置为非绝热系统；燃烧过T1'、T2'——不同加热阶段绝热材料平均温程中火焰温度很高，考虑火焰对壁面及周围介质的辐度，℃；射传热，采用P1辐射模型；采用k-ε湍流模型来封Cpth1、Cpth2——温度为T1、T2时绝热材料的比闭Reynolds

8、时均方程组，壁面采用增强壁面函数法；热，kJ/(kg·℃)。连续方程中考虑重力、浮力的影响；压力和速度的耦TT-0Q3=st（4）合采用SIMPLE算法，动量和能量的离散采用二阶Hth+1mthk迎风格式。式中k——绝热