[發明專利]一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法

有效

• 申請號: 202011276073.5
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112270109B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 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: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 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

1.一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法，其特征在于所述方法包括有如下步驟：

(1)、采用三維CAD軟件SOLIDWORKS軟件建立高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型，并設定高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型的相關參數；設定的相關參數包括：內部爐腔幾何形狀和幾何尺寸、石墨加熱棒幾何形狀和幾何尺寸；

(2)、將步驟(1)建立的高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型傳遞到ICEM軟件的Blocking模塊中，在Blocking模塊中采用O-Block方式對高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型進行網格劃分,網格劃分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子為默認值1.2，根據軟件中網格質量的判斷標準，同時保證整體結構的網格質量大于0.9，同時，定義所有三維仿真模型的進出口與壁面邊界名稱，包括加熱管壁面和爐腔壁面邊界名稱；

(3)、將步驟(2)中劃分好網格的三維仿真模型導入ANSYS軟件的FLUENT模塊，并對FLUENT模塊進行設置；

(4)、在ANSYS軟件中的FLUENT模塊里設置溫度檢測面，并進行仿真運算得到結果，以此作為判定高溫碳化爐石墨加熱棒加熱性能的指標；對ANSYS軟件中的FLUENT模塊進行設置的過程如下：

(4.1)、在User Defined選項導入根據設備運行工藝參數編制的自定義溫度參數；

(4.2)、在General選項中，將y方向Gravitational Acceleration根據要求設定為預設值，time選項設置為Transient瞬態傳熱；

(4.3)、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；

(4.4)將Models選項中的Radiation Model勾選Surface to Surface，并在ViewFactor and Clustering選項點擊Compute/Write/Read進行保存；

(4.5)、在Materials Fluid選項部分選擇氧氣和氮氣，在Materials Solid選項部分新建加熱棒材料，材料的屬性包括有密度、比熱容和導熱系數，然后分別選擇每種新建的石墨材料；

(4.6)、在Cell Zone Conditions選項中將Fluid1、Fluid2部分設為氮氣；將Solid1、Solid2部分設為石墨材料；

(4.7)、在Boundary Conditions選項中設置保溫材料之間的傳熱方式為Coupled，加熱管表面設置為UDF定義每小時內熱生成率，爐腔內與加熱棒、加熱棒與氮氣之間傳熱方式為Coupled；

(4.8)、選擇Check case后進行計算；計算所用的高溫碳化爐傳熱計算的三維數學模型，包含的三維連續性方程、動量方程和能量方程分別如下所示：

式中，ρ₁-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；

動量方程的Navier-Stokes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，h為爐內氣體的比焓；λ為爐內氣體的導熱系數；gradT為氣體傳熱面法向溫度梯度；S_h為氣體內部的熱源；Φ為氣體的耗散函數；

熱傳導問題的控制方程根據Fourier傳熱定律和能量守恒方程來建立，對固體而言，其瞬態溫度場T(x,y,z,t)滿足以下方程:

其中，ρ₂代表材料密度，C_T代表材料比熱，κ_x，κ_y，κ_z分別代表沿x，y，z方向的熱傳導系數，Q(x,y,z,t)代表物體內部熱源強度；

選擇高溫碳化爐石墨加熱棒的三維仿真模型的監測面為過中心點的Y方向平面；

(5)、在相同設置條件下，通過將高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型設置不同參數并重復步驟(1)-(4)，以進行多次模擬計算，由高溫碳化爐爐腔內溫度分布特性云圖，以此確定石墨棒的材料參數與加熱功率。

2.根據權利要求1所述的一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法，其特征在于：步驟(4)中，仿真運算得到結果包括有監測面的溫度變化云圖。