[發明專利]一種基于OVERSET模型的低溫碳化爐絲束加熱過程三維模擬方法

有效

• 申請號: 202011275956.4
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112528572B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 張毅鵬;孫中心
• 申請（專利權）人: 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 胡堅;黃良寶

1.一種基于OVERSET模型的低溫碳化爐絲束加熱過程三維模擬方法，其特征在于所述模擬方法包括有如下步驟：

(1)、構建低溫碳化爐全流場三維數學模型；

構建低溫碳化爐全流場計算的三維數學模型包含的三維連續性方程、動量方程、能量守恒方程分別如公式(1)、(2)、(3)所示：

三維連續性方程：

式中，ρ-流體密度；t-時間；V-速度矢量，其中u、v、w為V在x、y及z三個方向上的分量；

動量方程：

其中，μ是動力黏度，F_b是微元上的體積力；

能量守恒方程：

其中，C_p—比熱容，T—溫度，k—流體傳熱系數，S_T—粘性耗散項；

(2)、根據實際工程中低溫碳化爐的幾何參數，采用SOLIDWORKS軟件建立低溫碳化爐馬弗腔內流體計算域和被加熱絲束的三維仿真模型，并設定相關幾何參數；

(3)、將上一步驟建立的流體計算域和被加熱絲束的三維仿真模型分別傳遞到ICEM軟件的Blocking模塊中，在Blocking模塊中采用O-Block方式對流體計算域和被加熱絲束的三維仿真模型進行網格劃分；對靠近絲束表面壁面處進行網格加密，根據標準壁面函數的要求，保證網格層數不少于五層，網格劃分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子設置為默認值1.2，根據ICEM軟件中網格質量的標準，保證整體結構的網格質量大于0.85，同時，定義流體計算域和被加熱絲束的三維仿真模型的進出口與壁面邊界名稱；

(4)、將劃分好網格的流體計算域和被加熱絲束的三維仿真模型傳遞到ANSYS軟件中的FLUENT計算模塊，并進行設置邊界條件；對ANSYS軟件中的FLUENT模塊進行設置的過程如下：

(4.1)、在User Defined選項導入根據工藝參數編制的自定義絲束運動參數，通過UDF控制被加熱絲束的運動狀態，實現絲束在低溫碳化爐中運動過程；

(4.2)、在File選項中導入ICEM軟件劃分完成的計算所需的背景網格與前景網格；

(4.3)、在General選項中，將y方向Gravitational Acceleration選項根據實際設定為預設值，time選項設置為Transient瞬態傳熱；

(4.4)、將Models選項中的Energy勾選Energy Equation，Viscous Models選項中選取laminar模型，為了判斷爐腔內氣流運動狀態，引入雷諾數進行描述，雷諾數的計算公式為：

其中，其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數，d為特征長度；通過雷諾數的計算，進而選擇湍流模型為laminar模型；

(4.5)、在Materials Fluid選項部分選擇空氣和氮氣；在Materials Solid選項建立絲束的物理參數，包括密度、比熱容和熱傳導率物理參數；

(4.6)、在Cell Zone Conditions選項中將Fluid1部分設為氮氣，Fluid2部分設為氧氣；將Solid1部分設為絲束；

(4.7)、在Boundary Conditions選項中設置入口邊界條件為Pressure-inlet，并將Velocity Magnitude根據實際要求設置為預設值，Thermal選項設置為udf tm-inlet，設置出口邊界條件為Pressure-outlet，將一側壁面設置為對流換熱面，UDF定義每小時內爐壁空氣綜合溫度值，對流換熱系數根據實際要求設置為預設值，其他壁面設置為絕熱壁面，將絲束與氣體接觸面設置為Coupled；

(4.8)、在Overset Interface選項中創建交界面，在Background Zones選項中選擇背景網格，在Component Zones中選擇前景網格，Overset模型在計算中進行預處理，包括尋點、挖洞和建立插值關系；

(4.9)、選擇Check Case后，以步驟(1)中的低溫碳化爐全流場三維數學模型為基礎進行計算，計算時間根據實際工程中參數設定；

(5)、將仿真運算得到結果傳遞到后處理軟件CFD-POST實現碳化爐中絲束被加熱過程中物理參數的可視化；

(6)、在相同設置條件下，通過設置不同工作溫度與絲束運動速度并重復步驟(2)-(5)，以進行多次模擬計算，判定不同爐腔溫度與絲束運動速度時絲束表面溫度分布狀態，預測爐腔對絲束的加熱性能，以此作為設計低溫碳化爐馬弗腔體結構和運行工藝參數的依據。