[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

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，涉及低溫碳化爐的設計分析方法技術領域。包括構建低溫碳化爐全流場三維數學模型；采用SOLIDWORKS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，設定幾何參數；將三維仿真模型進行網格劃分；將三維仿真模型傳遞到ANSYS FLUENT計算模塊并進行設置邊界條件；將仿真運算得到結果傳遞到后處理軟件CFD?POST實現物理參數的可視化；設置不同工作溫度與絲束運動速度并重復進行多次模擬計算。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，可以更好的預測加熱性能，降低爐體結構設計實驗成本，為降低碳纖維生產能耗提供理論支持。

技術領域

本發明涉及到碳纖維生產過程中所用低溫碳化爐的設計分析方法技術領域。

背景技術

生產碳纖維生產過程中，長期工作在300℃到1000℃的環境下的低溫碳化爐是其關鍵設備之一，主要由架體(爐殼)、保溫材料、不銹鋼馬弗、馬弗配重裝置、加熱元件、傳感元件、入口氮封、出口冷卻水箱、出口氮封、馬弗內氣體檢測裝置、高純氮氣管道系統、電器控溫等系統組成。經過近四十年的發展和研制，雖然我國的碳纖維已經制備出與國外T300級碳纖維水平相近的產品，但是碳纖維的年產量與產品性能還遠不能滿足國內市場對其的需求。與國際先進的碳纖維產品技術水平對比，國產碳纖維的主要問題，突出體現在碳纖維均勻性能和碳纖維穩定性較差，究其主要原因，除了碳纖維工藝受到國外的限制，另一重要影響因素就是碳纖維生產過程中的主要生產設備落后于國外。如果要改變當前的被動局面，破除產業安全威脅，碳纖維生產線設備實現國產化和產業化的自主發展亟待解決，并也需要碳纖維相關專業研究人員不斷的進行改進和研究。

馬弗腔內部的溫度均勻性影響著碳纖維的生產質量，通常的做法是對碳纖維成品進行質量檢測，而生產過程中的因素難以控制，且通過試驗設備無法對此過程進行持續跟蹤，也就無法對碳纖維的質量進行保證。因此需要選擇合理的設計方法，可以使爐壁能達到符合規范的表面溫度，降低單位能耗。這項研究的目的在于通過對設計過程中的爐腔中絲束的加熱性能進行模擬，從而判斷絲束表面的溫度是否滿足生產工藝的要求，從而可以對爐體結構進行優化設計，在不降低現有加熱效果的前提下降低低溫碳化爐的制造成本。

發明內容

綜上所述，本發明的目的在于如何實現降低爐體結構設計實驗成本，為降低碳纖維生產能耗提供理論支持，也為相關的數值模擬研究提供依據的一種基于 OVERSET模型的低溫碳化爐絲束加熱過程三維模擬方法。

為實現本發明的目的采用的技術方案為：

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；