淬火槽攪拌器性能模擬及槽底均流設計

秦明臣，龔奇龍，張永寬

（中航工程集成設備有限公司，北京 102206）

淬火槽是熱處理淬火用主要設備。為降低工件淬火畸變和開裂危險，防止油局部過熱，要求槽內介質達到一定流動速度（一般在0.2～0.5 m/s比較合適），并且要求流過工件表面速度盡量分布均勻[1]。

常規(guī)閉式攪拌淬火槽多采用頂插式螺旋槳攪拌器，并配合均流板來改善槽內流動狀況，提高均勻性。熱處理手冊給出了淬火槽設計方法及常用三葉船用螺旋槳、翼型螺旋槳選型規(guī)范。然而在實際工程中，攪拌器及淬火槽的應用效果往往因為各種原因大打折扣，導致工件不合格率增加。由船用螺旋槳理論可知，螺旋槳葉片展弦比、槳葉之間、槳葉與槳轂之間、來流狀態(tài)、尾流及負載等，都對循環(huán)流量產生顯著的影響[2]。因此根據手冊確定的攪拌器實際出力情況往往由于這些因素的影響而達不到設計值，還需要進行校核。目前，大量設計人員采用計算機數值模擬針對淬火槽流場不均勻現象進行了優(yōu)化研究工作[3-5]，并提出了相對有效的導流板設計方案。然而，由于攪拌用葉輪幾何模型復雜，以往的模擬研究工作往往將這部分簡化掉，沒有考慮攪拌對葉輪產生的擾流旋轉流動，致使設計的導流裝置與實際運行效果相比，流場均勻性存在失真現象。

針對上述問題，本文采用動參考系MRF（Moving Reference Frame）模型將動葉輪部分考慮進來，進行了淬火槽全系統(tǒng)的仿真分析，并提出了槽底等壓均流設計方案。該設計既能取得較好的流場均勻性，又避免了不同漿液槽需布置不同導流形式的重復性優(yōu)化工作，為淬火油槽設計提供了參考。

1 淬火油槽全系統(tǒng)流場模擬

1.1 模型介紹

以某工程立式淬火爐配套淬火油槽為例進行全系統(tǒng)流場模擬分析。采用的淬火槽幾何模型及三葉攪拌器結構形式及尺寸見圖1。淬火爐冷卻介質為油，液位高度為4.5 m，設計循環(huán)流量約為43 m3/h，油密度900 kg/m3，設計溫度約為40℃，黏度為20 mm2/s。頂部配置4臺三葉船用螺旋槳式攪拌器，設有閉式導流筒，導流筒直徑360 mm。螺旋槳攪拌器直徑330 mm，螺距與葉片直徑的比約為1.0。淬火有效區(qū)料框直徑為1.5 m，工件及散件布置在料框內。

圖1 淬火槽幾何模型及三葉攪拌器結構示意圖

模擬采用ANSYS Fluent進行計算，由于動網格模型計算量巨大，攪拌器部分采用MRF模型進行穩(wěn)態(tài)簡化模型計算，轉速850 r/min，壁面為無滑移邊界條件。由于導流筒內為旋轉流動，采用RNG k-ε湍流模型能取得更好的計算準確性，動量方程采用二級迎風差分格式以提高計算精度，速度壓力耦合方式為Simple。網格數量約為1 500萬個。

1.2 結果分析

圖2為全系統(tǒng)流場分布圖。其中，圖2（a）和圖2（b）為導流筒內淬火油流速度分布云圖，由圖可知，導流筒內流體受螺旋槳攪拌作用呈旋轉流動狀態(tài)，貼壁側流動速度最高，計算結果得到葉輪邊緣處攪拌產生的流體引導速度約為14.2 m/s，與攪拌器輪緣切向速度ωr相同，說明計算結果符合實際。圖2（c）為全系統(tǒng)流體流動跡線分布，淬火油在系統(tǒng)內受攪拌器推力作用，順導流筒方向形成較大的渦旋區(qū)I，在有效淬火區(qū)域II形成泉涌狀態(tài)，有效區(qū)工件表面流體湍流狀態(tài)強烈，可保證工件表面換熱效果，提高工件冷卻速率。圖2（d）為攪拌器局部旋轉流動狀態(tài)。

2 淬火油槽流場優(yōu)化分析

圖2 全系統(tǒng)流場分布圖

為研究負載、流動形態(tài)及槽深對系統(tǒng)循環(huán)流量的影響，對比了另外4種形態(tài)的淬火油槽導流結構及3個槽深（2 m、3 m和4 m）結構下的系統(tǒng)循環(huán)流量。

2.1 導流形式對流動形態(tài)的影響

圖3為工程中采用的幾種導流形式，其中，第一種結構為底部設置導流板+孔板，孔板設計孔徑為10 mm，間距15 mm，第二、三種分別將孔板和導流板取消，第四種將孔板和導流板全部取消進行對比。圖4給出了幾種方案的系統(tǒng)流場跡線分布，由圖4（a）和圖 4（c）知，孔板并不利于液體流動分布，流體經過孔板后被沖散，中心主流液柱強度減弱，流動方向改變，降低了流體在有效區(qū)沖刷工件表面的速度，致使工件冷卻效率降低；如果不加任何整流措施，系統(tǒng)流場也不好，見圖4（d），有效區(qū)流體更新速度慢，不利于淬火；底部只添加導流板的形式對有效區(qū)流體分布最有利，從圖4（b）可以看出，中心主流液柱強度較大，從油槽底部向上翻涌至液體表面，然后向四周溢流擴散，而其他幾種形式并沒有形成該流態(tài)。從計算結果來看，能形成泉涌狀態(tài)的情況獲得的系統(tǒng)循環(huán)流量最大，在本工程選用的螺旋槳型號及相應攪拌速度下的單筒油循環(huán)流量Qv可達756 m3/h，對應螺旋槳軸功率P約為1.475 kW。由于影響螺旋槳出力的因素有很多，該系統(tǒng)流動形態(tài)能取得較大循環(huán)流量的原因可能是翻涌到液面的流體主動溢流到導流筒的入口部分，給螺旋槳吸入口附加了液體的一個推動力，致使循環(huán)量增大，而其他幾種則是被動的依賴螺旋槳的抽吸作用產生流動，這里兩者之間有一定區(qū)別。因此進行淬火槽攪拌器選型時，也要留足余量，以防選型在實際應用中達不到設置值。

圖3 不同淬火槽導流結構對比圖

圖4 不同結構下的系統(tǒng)流場跡線分布對比圖

2.2 槽深對系統(tǒng)循環(huán)流量的影響

在應用過程中，設計導流槽的深度對同型號螺旋槳出力情況的影響沒有詳細研究，螺旋槳型號選擇過大不利于系統(tǒng)節(jié)能，選擇過小達不到預定冷卻效果。對于本系統(tǒng)，漿液在導流槽引導下的循環(huán)過程類似于液體在連通器內的流通，沿程和局部阻力是影響系統(tǒng)循環(huán)流量的主要因素，螺旋槳不需要為抬升液體高度而做功。理論上如果槽深過大，過程阻力較高，達到一定值后，會產生阻滯現象，即螺旋槳在一定轉速下提供的推動力不足以克服系統(tǒng)阻力，流動停滯。然而，工業(yè)爐設計手冊中也只是定性進行了分析，并沒有給出具體設計指導數據。本研究給出了槽深高4 m、3 m和2 m情況下的系統(tǒng)循環(huán)流量，如圖5所示。從模擬結果來看，在轉速850 r/min時，槽深對系統(tǒng)循環(huán)流量沒有明顯影響，在該范圍內，流體沿程阻力相對于螺旋槳提供的推力較小，可忽略。

圖5 槽深對系統(tǒng)循環(huán)流量的影響圖

2.3 轉速對循環(huán)流量和軸功率的影響

轉速對淬火槽內流體的循環(huán)流量影響較為顯著。研究螺旋槳在不同轉速下的體積流量和軸功率對電機選型及傳送裝置的設計也至關重要。圖6給出了本型號船用螺旋槳攪拌器在不同轉速下能提供的循環(huán)流量和所需軸功率的關系曲線。由圖可知，系統(tǒng)循環(huán)流量和轉速之間呈線性變化，而軸功率和轉速之間呈冪函數變化關系，擬合得到：

圖6 轉速與循環(huán)流量及軸功率的關系曲線圖

3 槽底等壓均流設計方案

淬火槽設計過程中在槽底布置導流板是常規(guī)的流場均布方式，導流板的布置有直型、弧型及直弧等多種型式，布置間距、位置等也關系到有效區(qū)流體的均布效果，為簡化設計過程，本研究對一種淬火槽底部等壓均流設計方案進行了模擬分析研究，并對比了其他幾種結構導流方案的流場結果。研究對比的模型見圖7，第一種結構為常規(guī)底部導流板設計方案，第二種和第一種類似，不過底部導流板保持貫通，第三種結構為等壓設計結構，不設導流板，底部槽內沿流體流動方向上設計流通截面不斷減小，在斜底上方布置整流格柵，格柵間距與高度的比值需保證小于1。等壓結構設計方法參考了電力行業(yè)流場整流方案，等壓設計方法在鍋爐水聯(lián)箱、脫硝設備頂部整流及電除塵入口煙氣均布領域都有廣泛的應用[6]。

圖7 不同槽底結構及導流模型示意圖

在相同攪拌器和相同攪拌速度下的計算結果見圖8。從模擬結果來看，幾種設計結構都能取得較好的泉涌流動形態(tài)，流動跡線顯示有效區(qū)湍流強度較大，流動較好。但從流過工件的截面速度來看，常規(guī)導流板的均布速度偏差較大，正對導流板的高速區(qū)可達1 m/s以上，而導流板背面的低速區(qū)流速幾乎為0。

圖8 不同槽底結構及導流模型流場分布對比圖

為了對淬火槽內的流場分布效果進行定量分析，采用速度均布系數Cv進行定量分析[7]，其定義式為：

式中：σ—標準偏差，m/s；xˉ—平均速度，m/s。

對比幾種結構的Cv值發(fā)現，等壓均流設計方案取得的整體截面速度分布比較均勻，沒有明顯的高速區(qū)和低速區(qū)域，截面速度相對標準偏差約為0.263，較其他幾種導流形式有明顯改善。

該等壓設計方法形式固定，不需要添加過多的復雜導流板，對于不同項目，不用重復進行流場優(yōu)化工作，可提高優(yōu)化設計效率，保證淬火冷卻效果。

4 結論

通過模擬分析得到如下結論：

（1）槽內有效區(qū)形成泉涌流態(tài)時有助于系統(tǒng)循環(huán)流量的提高。

（2）設計淬火槽深2~4 m范圍內，選用同型號攪拌器時，在相同轉速下可認為系統(tǒng)循環(huán)流量不受槽深影響。

（3）計算得到系統(tǒng)循環(huán)流量和轉速之間呈線性變化，而軸功率和轉速之間呈冪函數變化關系，擬合曲線為P∝n2.33。

（4）槽底等壓均流設計方案能取得更好的有效區(qū)流場分布均勻度，可作為淬火槽工程設計的指導依據。