多股射流对车轮冲击冷却的三维数值模拟.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13（2 0 2 3)0 5-0 0 7 5-0 3多股射流对车轮冲击冷却的三维数值模拟贺志凯1，李俊鹏1，白国庆（1.太原重工轨道交通设备有限公司，山西太原0 3 0 0 2 4；2.太原学院机电与车辆工程系，山西太原0 3 0 0 3 2）摘要：应用有限元数值模拟软件Fluent，采用不可压缩流体流动原理和流固耦合传热有限元方法，对车轮淬火设备喷嘴模块的射流冲击进行了数值模拟，得到壁面换热系数的分布和流场分布。分析结果表明：射流速度越大，壁面换热系数越大；在换热系数能够覆盖整个壁面的情况下，应该减小喷嘴直径，提高壁面换热系数。关键词：车轮淬火；三维数值模拟；射流冲击中图分类号：TP391.7文献标识码：A0引言淬火是火车车轮热处理的关键工艺之一，是影响火车车轮质量的重要因素。目前国内车轮制造厂家主要采用对车轮踏面进行射流冲击的冷却方式凸，在射流冲击冷却时，受冲击壁面上形成的流动边界层薄，冲击换热系数要比一般意义上的对流换热系数高几倍甚至一个数量级，因此作为一种极其有效的强化局部传热方法被广泛采用。太原重工轨道交通设备有限公司生产的车轮也是使用这种淬火方式，本文利用Fluent软件对淬火过程中影响淬火性能的一些因素进行了仿真模拟，以提高车轮淬火后的性能，对生产实际作出指导。1淬火台的结构及淬火方式淬火台的结构及淬火方式如图1所示，车轮通过120均布的3 个驱动辊带动实现旋转，喷嘴采用12 0 均布的环型喷嘴模块，喷嘴布局如图2 所示。如果喷嘴模块的喷嘴布局不合理，就会出现淬火后车轮踏面出现软点、硬度散差较大等问题。本文采用压力求解器，计算流体时采用稳态求解器，温度场采用非稳态求解器，流模型采用Realizable k-,ta。图2 喷嘴布局HDEA图1淬火台结构及淬火方式2有限元模型的建立为方便分析研究作如下假设：考虑射流与车轮踏面直接作用；因车轮的换热主要靠射流冲击换热，不考虑沸腾换热；不考虑车轮旋转，以静止状态考虑。以现有喷嘴模块为基础，以喷嘴射流为研究对象，建立了射流冲击淬火的物理模型，如图3 所示。2.1求解器及计算类型米山西高等学校教学改革创新项目（J20221198）收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 3；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 9作者简介：贺志凯（198 6-），男，山西定襄人，工程师，硕士，主要从事铁路车轮热处理设备研究。N图3 射流冲击淬火的物理模型2.2材料设置考虑到温度场要涉及到表面换热，流场内气体设置成理想气体。所用钢种的材料密度为7 8 50 kg/m，导热系数和平均定压比热容在钢的材料属性中进行设GBF76置，分别为2 6.19 W/(mK)和7 6 0 J/(kgK)。2.3边界条件和初始条件（1）模型的人口为速度入口：平面I、J、K、L、M、N为速度入口。（2）淬火时水与车轮接触为壁面类型，条件为convection,车轮的表面初始温度为8 oo。壁面为ABCD。（3）出口为自由出口，边界为ADHE、CD H G、ABFE、BCG F。（4）其余边界为自由边界，速度未知。3数值模拟结果及分析采用圆形喷嘴喷射淬火冷却，射流在冲击作用下与车轮踏面接触时，是以圆形区域向四周扩散，可将此圆形区域分为滞止区和壁面紊流区。射流水柱直径的三倍范围内为滞止区，滞止区外为壁面紊流区。现7.03e+04.78e+046.68e机械工程与自动化对射流冲击进行模拟。3.1相同喷嘴直径模块不同压力时射流冲击模拟结果对相同喷嘴直径D=7.0mm，压力分别为0.5MPa、1.0 M Pa、2.0 M Pa(对应的射流速度分别为10.9m/s、15.4 m/s、2 1.8 m/s）时的冲击模型进行数值模拟仿真，结果如图4、图5所示。从图4 可以看出：射流冲击速度越大，冲击壁面的换热系数值越高；射流滞止区的换热系数小于外围紊流区的换热系数，换热系数在流区达到最大，随着向外扩散逐渐变小。从图5的流场分布可以看出：不同速度形成的流场形式相同，随射流速度增大，流场速度增大；滞止区流速小于流区流速，滞止区与紊流区交界处达到速度最大值，随着向外扩散不断减小。壁面流场分布同壁面换热系数分布基本相同。9.292023年第5期9.89.16e+048.50e+04877.85e+0438e-.20e+045.54e+049140e-42.643396e+04047e+047.03e+039.78e+033.51e+034.89e+030.00e+000.00e+00(a)v=10.9 m/s(b)v=15.4 m/s图4 相同喷嘴直径不同流速下的换热系数分布1.72e+01.63e+01.54e+0146e+01.37e+0129e+01.20e+01.12e+01.03e+019.44e+008.58e+007.73e+006.87e+006.01e+003.115e+004.29e+003.44e+002.58e+001.72e+008.64e-6.19e-(a)v=10.9 m/s(b)v=15.4 m/s图5相同喷嘴直径不同流速下的流场分布3.2不同直径喷嘴模块相同压力时射流冲击模拟结果对压力为1.0 MPa，喷嘴直径分别为1.3 5mm、2.75 mm、7.0 m m(对应的射流速度分别为 6 6.0 m/s、39.8m/s、15.4 m/s)的冲击模型进行数值模拟仿真，其壁2.31e+05.89e+052.20e+0579e+052.08e+05.70e+051.96e+05.60e+051.85e+055+051.73e+051.62e+051.50e+051.39e+051.27e+051.16e+051.04e+059.25e+048.09e+046.93e+045.78e+044.62e+043.47e+04231e+041.16e+040.00e+00(a)D=1.35 mm相同压力下，对喷嘴直径为2.7 5mm、4.0 m m、5.0mm(对应的射流速度分别为3 9.8 m/s、2 3.0 m/s、18.8m/s)的冲击模型进行数值模拟仿真，其壁面换热系数分布如图7 所示。由图7 可以看出：当D=4.0mm和D=5.0mm时,射流冲击所产生的换热区域能将整个壁面覆盖，但D=4.0mm时的冲击滞止区与紊流区的壁面5.54.89e+04.58e+04.23e+043.92e+043:27e+042.62e+04.96e+041:31e+046.54e+030.00e+00(c)v=21.8 m/s2.45e+012.33e+012.20e+0084.2.8366.003+003.69e+002.46e+00.24e+00.39e-02(c)v=21.8 m/s面换热系数分布如图6 所示。从图6 可以看出：喷嘴直径越小，壁面换热系数值越大，但直径越小，其冲击换热区域越小，壁面冲击换热的覆盖面越小；只有D一7.0mm时，换热系数较高区域能将整个壁面覆盖。9:29e+048.80e+048.31e+047.82e+047.33e+046.84e+046.35e+045.87e+045.38e+044.89e+048.50e+047.046.61e+-045.66e+044.72e+043.78e+042.83e+041.89e+049.44e+030.00e+00(b)D=2.75 mm图6 1MPa压力不同直径喷嘴下的换热系数分布换热系数较高，所以D一4.0 mm冷却效果较好。所以，增加喷嘴模块竖直方向喷嘴的数量，在换热系数能够覆盖整个壁面的情况下，应该减小喷嘴直径，提高壁面换热系数。4结论本文应用有限元数值模拟软件Fluent对车轮火设9.78e+044.40e+043.91e+043.42e+042.93e+042.44e+041.96e+041:47e+049.78e+034.89e+030.00e+00(c)D-7.0 mm2023年第5期备喷嘴模块的射流冲击壁面流场及换热特性进行了数值模拟，得到以下结论：（1）射流冲击速度越大，冲击壁面的换热系数值越高。换热系数最大值在紊流区，随着向外扩散逐渐变小。壁面流场分布同壁面换热系数分布基本相同。.89e+05.79e+05.70e+05.60e+0551e+0e+u1.049.44e8.50e+047.55e+046.61e+045.66e+044.72e+043.78e+042.83e+041.89e+049.44e-030.00e+00(a)D-2.75 mm 参考文献：1”安涛，付斌，沈晓辉，等.火车车轮淬火过程数值模拟.计算机辅助工程，2 0 0 6（15）：3 8 8-3 90.2徐惊雷，徐忠，肖敏，等.冲击射流的研究概述J.力学与实践，1999(6)：8-17.Three Dimensional Numerical Simulation of MultipleJets Impingement Cooling to WheelsHE Zhi-kai,LI Jun-peng,BAI Guo-qing?(1.Taiyuan Heavy Industry Railway Transit Equipment Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China;2.Department of Electromechanical and Vehicle Engineering,TaiyuanUniversity,Taiyuan 030032,China)Abstract:Using the finite element numerical simulation software Fluent,according to basic theory of incompressible liquid flow and liquid solidcoupling heat transfer finite element method,numerical simulation of jet impingement of nozzle module of wheel quenching device was carried out,getting the wall heat transfer coefficient distribution and flow field distribution.The analysis results show that the Jet velocity is large,wall heattransfer coefficient is larger;under the condition that the heat transfer coefficient can cover the whole wall,the diameter of the nozzle should bereduced and the wall heat transfer coefficient should be increased.Keywords:wheel quench;three dimensional numerical simulation;jet impact(上接第7 4 页)表7 各土质不同填埋深度下井座的应变均值响应埋深(m)A20.322940.376060.409980.5654均值0.2425排秩23结论本文研究了在下电力作用下不同填埋深度和土质对塑料检查井井座应力、应变值的影响，结果表明：（1）随着填埋深度增大，井座应力、应变值增加明显。（2）在同一填埋深度下，各土质对井座应力、应变Study on Stiffness and Strength of Large Plastic Manhole(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 221006,China;2.School of MechanicalEngineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:In this paper,the large plastic manhole flow trough confluence tee seat is taken as the research object.In view of the largeimpact of soil quality and landfill depth on the stiffness and strength of large plastic manhole in the field construction process,ANSYS and Origin were used to analyze the data to study the effect of filling depth and soil quality on the stress and strain values oflarge plastic manhole seats under the vertical downward force.The influence degree of each soil quality on the stress and strain valuesof shaft seats at the same landfill depth was obtained:cohesive soil Csoft soil Acollapsible ioess Bsandy soil D.The researchresult provides theoretical support for structural optimization design of large plastic manholes.Keywords:landfill depth;rigid strength;plastic manhole机械工程与自动化(2）喷嘴直径较小时，冲击换热不能覆盖整个壁面，可能会出现冷却不均匀。(3）设计和改造喷嘴时，可利用Fluent软件进行数值模拟，在冲击换热覆盖整个壁面的情况下，应减小喷嘴直径，以提高换热效果。1.14e+051.08e+051.02e+059.66e+049.09e+048.53e+047.96e+047.39e+046.82e+046.25e+045.68e+04.12e+045e+043.98e+043.41e+042.84e+042.27e+041e+0414e+045.68e+030.00e+00(b)D=4.0 mm图7 相同压力不同直径喷嘴下的换热系数分布3韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用MJ.北京：北京理工大学出版社，2 0 0 4.4谢浩，张靖周.阵列射流冲击冷却流动传热特性的数值研究G/第三届工程计算流体力学会议文集.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 6:3 0 8-3 14.值的影响程度为：粘性土C软土A湿陷性黄土B沙土 D。土质（3）在填埋深度较浅时，土质对井座刚强度的影BC0.32680.31270.36350.35100.475 20.41430.50860.59610.18170.283431Under Different Landfill DepthsJI Hai-bin,MENG Xian-kai?771.05e+059.98e+049.46e+048.93e+048.41e+047.88e+047.36e+046.83e+046.31e+045.78e+0425e+043e+0420e+043.68e+045e+043e+0410e+0458e+04.05e+045.25e+030.00e+00(c)D=5.0 mmD响较小。0.3423参考文献：1”赵全满，王鑫均，井硕，等.检查井及井周路面病害影响下0.3958的行车舒适性J.北京交通大学学报，2 0 2 2，4 6（3）：6 7-0.429979.0.50602李文博.东北支线机场在“绿色机场”理念下的给排水设计及思考J.给水排水，2 0 16（1)：2 2 1-2 2 3.0.16373张伟，魏若奇，者东梅，等.塑料检查井结构完整性分析研4究J.塑料工业，2 0 15（7）：117-12 4.4饶勤波.交通载荷下检查井受力变形研究D.杭州：浙江大学,2 0 10:7-2 1.5魏春良，高建和，赵猛，等.基于ANSYS的塑料检查井肋板设计高度的力学分析J.特种结构，2 0 11（6）：112-114.6师彩云，谭文胜，孟宪凯，等大型塑料检查井井座多目标参数优化设计J.现代塑料加工应用，2 0 2 2（6）：4 0-4 3.