小型高溫加熱裝置內部傳熱特性的模擬計算

姜 琦 余南陽

小型高溫加熱裝置內部傳熱特性的模擬計算

姜 琦 余南陽

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

以用于小型金屬試樣材料高溫動態力學性能試驗中的加熱裝置為研究對象，對與實驗室現有小型壓入測試試驗機相匹配的加熱裝置進行傳熱特性研究。運用數值模擬方法得到并分析動態傳熱過程，以試樣內能增加量一致時所需時間為衡量指標，討論了總輸入功率一定時，腔體幾何參數對試樣升溫效率的影響。研究表明：隨著傳熱過程進行，腔體對流熱損失比重逐漸減小，輻射熱損失比重逐漸上升并最終占據主導地位；在設計與優化加熱裝置腔體結構時，適當增大開口比有利于加快試樣升溫速度；開口比一定時適當增加高寬比或改變腔體形狀也對改善試樣升溫效率有利。

高溫加熱裝置；非接觸式加熱；數值模擬；工程應用

0 引言

材料動態力學性能實驗在指導實際工程應用中具有重要作用，當前工程材料的工作環境越來越苛刻，高溫條件下材料的動態力學性能是人們非常關心的一個問題[1]。材料熱力學性能實驗中的加熱裝置要求具有較快的升溫速度、較短的處理周期和較高的溫度控制精度[2]。加熱方式和新型加熱材料的研究開發已經成為材料科學和能源開發領域的研究熱點[3]。因此，需要對應用于此類試驗的加熱裝置進行傳熱特性研究，而數值計算的方法具有成本較低和能模擬較復雜過程的優點，從而能減少成本昂貴的實驗工作量[4]。

本文針對實驗室現有小型金屬材料壓入試驗機的規格選取合適熱源并設計相應的高溫加熱裝置，然后運用Fluent流體仿真軟件進行瞬態數值模擬，得到加熱裝置動態熱傳遞情況并分析了不同腔體幾何參數對試樣升溫情況的影響。

1 高溫加熱裝置簡介

本文所研究的加熱裝置是為材料高溫動態力學性能實驗服務，采用非接觸式加熱方式[5]，在試樣上升到指定溫度后需將壓頭壓入加熱腔內給試樣施加一定壓力，加熱裝置截面示意圖見圖1。選用氮化硅陶瓷加熱器作為高溫發熱元件，它是以陶瓷為基體，以鎢絲為發熱源，鎢絲埋在陶瓷基體中，通過熱壓燒結的方法形成一體，再磨削加工，焊接引線，制成的發熱元件，具有熱慣性小、升溫速度快等優點，在空氣中加熱到1000℃以上時，急劇冷卻再急劇加熱也不會碎裂，可以滿足試驗的溫度需求。加熱腔頂部設計為開口形式，已有大量關于開口空腔熱特性的研究表明[6,7]，開口大小和內壁溫度對空腔輻射熱損失起著決定性作用，因此腔體開口需在滿足壓頭規格下盡量減小?？紤]到熱源溫度較高，采用保溫效果較好的硅酸鋁陶瓷保溫棉作為保溫層材料。在總輸入熱量一定時，腔體的幾何參數會對試樣單位時間內得到的熱量即升溫速度產生影響，因此本文將從開口比、高寬比、腔體形狀等方面進行討論。

圖1 加熱裝置截面示意圖

2 數理模型及求解方法

2.1 物理模型

對圖1所示的加熱裝置進行模擬計算，模擬所用具體尺寸為：和分別表示腔體高度和寬度；腔體開口尺寸為30×30mm；氮化硅陶瓷加熱器的尺寸為30mm×12mm×2mm，單個發熱元件額定功率為300W；耐熱層厚度為10mm；保溫層厚度設為50mm；待測金屬試樣的材料為16Mn，尺寸為20mm×20mm×10mm。

2.2 數學模型與求解方法

本文采用Fluent軟件對模型進行三維瞬態數值模擬。將氮化硅陶瓷加熱器設為體熱源，產熱率為3.57×107W/m3；加熱腔內壁面和試樣表面為耦合邊界；保溫層外表面為對流傳熱邊界，其對流換熱系數利用流體相似理論確定，不考慮保溫層表面向周圍空間的輻射散熱；根據文獻[8,9]中的處理方式，計算區域與加熱裝置尺寸大小一致，腔體開口設為壓力入口邊界。

表1 各表面發射率

加熱裝置內部傳熱過程是一個伴隨有流動與換熱的動態變化過程，由于發熱元件溫度較高（900℃以上），屬于高溫傳熱范疇，因此輻射傳熱不可忽略。加熱腔內部輻射屬于多表面輻射換熱，所有參與輻射的表面均為漫灰表面。表面發射率設置見表1。計算采用Discrete Ordinates（DO）輻射模型，輻射傳熱基于灰體假設，同時開啟能量方程?？諝庖暈椴豢蓧嚎s流體，由于腔內物體與外界環境的溫度差異較大，加熱腔內部的空氣物性參數會發生較大變化，Boussinesq假設將不再適用，因此在大溫差情況下，空氣擬采用變物性處理[10]?？諝饬鲃訉儆谂ｎD流體的湍流流動，采用RNG-湍流模型?？刂品匠堂枋鋈缦拢?/p>

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

本文采用六面體非結構化網格，通過試算對網格和時間步長進行無關性驗證后，選定網格尺寸為1×1×1，時間步長為0.5s。

2.3 計算模型驗證

將本文選用的數值計算模型對文獻[11]中的實驗工況進行計算，結果對比如表2所示，其中，下標“”和“”分別代表腔體側面和底面溫度，“exp”為文獻中的實驗數據，“num”為計算數據。由表格可知，三種工況下，穩態計算結果與實驗結果基本吻合，最大偏差為10.6%，說明本文所用模型較為可靠。

表2 本文模擬表面溫度與文獻[11]對比

3 模擬結果與分析

3.1 耦合傳熱瞬態過程分析

圖4和圖5為瞬態過程發熱元件、試樣、內壁的溫度及表面熱流密度隨時間的變化曲線，其中，離開壁面的熱流為正值[12]。對試樣而言，其表面熱流密度的變化趨勢與其同熱源和壁面溫度之差的變化都是先增加后減小直至平穩的過程。試樣升溫曲線斜率較大時對應其表面吸收的熱量不斷增加，此時試樣表面輻射熱流占總熱流的60%以上且之后的占比不斷增加，說明腔內輻射傳熱對試樣升溫情況影響較大，提升試樣升溫效率可從改善腔體輻射傳熱入手，而影響固體表面間輻射換熱的主要因素[13]包括固體表面的輻射物性、表面的幾何特征（大小與形狀）和相對位置、表面溫度。

圖6為加熱裝置三種傳熱熱損失及試樣得熱量占熱源輸入總熱量的比例隨時間變化曲線，在初始時間內，腔內溫度較低，通過開口的對流熱損失占主導地位，隨著傳熱過程進行，對流散熱占比隨之減小，輻射熱損失比重不斷增加，這是由于熱源溫度持續上升，加熱腔內外溫差增大，導致輻射換熱增強。保溫層隔熱效果優良，因此導熱損失隨時間變化幅度較小。650s后輻射熱損失強于對流熱損失，且三種傳熱量占比趨于穩定，與各表面溫度變化趨勢一致。

圖4 溫度變化曲線

圖5 熱流密度變化曲線

圖6 腔體熱損失及試樣得熱量占比變化曲線

3.2 腔體開口比的影響

腔體的內壁面可視為散熱面，會對腔體熱性能產生影響。本小節將探討腔體開口面積A一定，通過改變內表面積A來改變腔體開口比A/A時對試樣升溫效率的影響。腔體編號及具體規格見表2，腔體1#～6#的開口比依次增加，其中，腔體1#～4#高寬比依次減小，腔體4#～6#腔體高寬比依次增加。計算結果如圖7所示。

當試樣達到800℃時，在本節計算范圍內，無論高寬比如何，試樣的升溫效率隨開口比增加而提高。使用2#～6#腔體時試樣升溫所需時間依次比1#腔體縮短了7.9%、15.3%、22.9%、35.9%和53%。進一步對比方腔2#和6#以及方腔3#和5#，前一組高寬比約為0.4，后一組高寬比約為0.3，在高寬比相同的情況下，增大開口比對于試樣升溫速度影響顯著。在發熱元件輸入功率一定時，腔體內表面積減小，熱源在單位時間內傳遞給腔內物體單位面積上的熱量增加，試樣內能增加速度也隨之加快。

表2 腔體規格

圖7 溫度變化曲線

3.3 腔體高寬比及形狀的影響

本小節將討論腔體開口比A/A不變的情況下，改變高寬比或腔體形狀對試樣升溫過程的影響。取A/A=0.04，具體尺寸見表3，腔體4#～11#的高寬比依次增加，9#的高寬比約為1，12#為棱臺型腔體，腔體側壁面與底面夾角為75°。試樣升溫曲線見圖8。

表3 腔體規格

圖8 溫度變化曲線

由計算可知，在腔體開口比A/A相同即腔體內表面積一定時，改變方型腔體的高寬比對試樣升溫過程影響較小，當試樣達到800℃時，7#～11#腔體中的升溫時間依次比4#腔體縮短了3.6%、8.3%、5%、2.1%和2.8%，8#腔體表現更優，＞1以后改善效果不再顯著，且根據實際情況，方型腔體的高寬比最好控制為不大于1。繼續比較12#腔體的效果，試樣內能增加量一致時，所需時間比4#腔體減少了16.5%?？梢娫谇惑w開口比一定時，通過減小腔體側面與底面夾角等方式改變腔體形狀可有效提高試樣升溫效率。

4 結論

通過對加熱裝置的傳熱過程進行模擬計算，可以得到以下結論：

（1）在試樣升溫過程中，輻射傳熱量可占其表面吸收總熱量的60%以上，因此提升試樣升溫效率可從改善腔體內部表面間的輻射換熱入手。

（2）當腔體開口面積不變時，通過增大腔體開口比及減小內表面積可以有效提高試樣的升溫效率。

（3）當腔體內表面積一定時，腔體高寬比的變化對于試樣升溫速度的影響較小，但通過減小腔體側面與底面夾角等方式來改變腔體形狀可進一步提升試樣的升溫效率。

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Numerical Simulation of Heat transfer Characteristics in a High Temperature Heating Device for Experiment

Jiang Qi Yu Nanyang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The research object is the high temperature heating device used in the dynamic mechanical properties of materials under certain high temperature conditions in this paper. The device was designed according to the small-sized press-in material testing machine developed by our laboratory. Taking the time required for the increase of internal energy of the sample as a measure, the effect of cavity geometry on the heating efficiency of the sample is discussed when the total input power is constant based on numerical simulation. The results show that as the heat transfer process proceeds, the proportion of convective heat loss in the cavity gradually decreases, and the proportion of radiant heat loss gradually increases and eventually dominates; When designing and optimizing the cavity structure of the heating device, appropriately increasing the opening ratio is beneficial to speed up the heating rate of the sample; Appropriate increase of the aspect ratio or changing the shape of the cavity when the opening ratio is constant is also beneficial to improve the heating efficiency of the sample.

high temperature heating device; non-contact heating; numerical simulation; engineering applications

TK32

A

1671-6612（2020）01-122-05

姜 琦（1993-），女，在讀碩士研究生，E-mail：jqecho007@163.com

余南陽（1961-），男，博士，博士生導師，E-mail：rhinos@126.com

2019-11-09