基于Fluent的熱壓板溫度場(chǎng)分析及優(yōu)化

王野平 張 斌 劉 瑩 江華榮

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

熱壓板作為熱壓機(jī)的關(guān)鍵部件，將來自加熱系統(tǒng)的熱介質(zhì)的熱量和來自液壓系統(tǒng)的工作液體的壓力傳至工件，使之加熱加壓而成型。熱壓板是將整塊厚鋼板采用深孔技術(shù)鉆成縱向及橫向深孔然后采用局部設(shè)堵的方法形成管路［1］。由于熱壓板是熱壓過程中對(duì)板加熱的直接熱源，所以熱壓板表面的溫度分布直接影響所壓板材的質(zhì)量及產(chǎn)量。因此，有必要對(duì)熱壓板的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，保證熱壓板的熱傳遞性能及工作面的熱均勻性，并探討其最佳的回路組合。

1 溫度場(chǎng)分析關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)需要對(duì)熱壓板傳熱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化:(1)周圍空氣溫度恒定;(2)導(dǎo)熱油進(jìn)入熱壓板進(jìn)油口時(shí)溫度是均勻的;(3)導(dǎo)熱油和熱壓板材料的物性在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)是常數(shù);(4)熱板非工作表面與周圍空氣以對(duì)流方式進(jìn)行熱量交換，工作表面以熱流形式對(duì)板輸出熱量;(5)不考慮傳熱過程的輻射換熱［2－3］。

1.1 熱壓板工作面導(dǎo)熱密度的確定

導(dǎo)熱系數(shù)λ與材料的平均溫度t之間的回歸方程［4］為:

由傳熱學(xué)知識(shí)，板坯的導(dǎo)熱密度(或?qū)釤崃髅芏?q為:

式中:Δt為板坯溫度差，即Δt=(t1－t2);板坯平均溫度t=(t1+t2)/2;等效板坯厚度 δ1=δ/2，毛板厚度 δ=15 mm;t1、t2分別為板柸上與熱壓板接觸面的溫度190℃和板柸中間面溫度27℃。

代入式(2)數(shù)據(jù)得到:q=2 666.256 W/m2。

1.2 熱壓板非工作面與空氣對(duì)流系數(shù)的確定

根據(jù)生產(chǎn)車間的環(huán)境，熱壓板與空氣間的對(duì)流可視為無限空間自然對(duì)流換熱。以面積最大的非工作面為例，室溫t1為27℃，熱壓板非工作區(qū)溫度ta取為190℃。定性溫度為邊界層平均溫度tm=(ta+t1)/2;查空氣物性數(shù)據(jù)［4］:運(yùn)動(dòng)粘度為 ν=2.313×10－5m2/s;λ=3.21×10－2W/(m·K);Pr=0.688;代入數(shù)據(jù)得到α=2.620×10－3K－1。

其中:重力加速度g=9.81 m/s2;溫差Δt=ta+t1;l為定型尺寸，對(duì)矩形取兩個(gè)邊長(zhǎng)的平均值，此處l=2.785 m。計(jì)算得到Gr=1.608×1011。

式(6)為自然對(duì)流紊流換熱關(guān)聯(lián)式，分別有C=0.15、n=1/3，得到對(duì)流系數(shù)h=8.299 W/(m2·K)。

1.3 熱壓板進(jìn)油口流速及油溫的確定

單塊熱壓板回路數(shù)n=6，這6條回路由同一油泵供油，查閱該熱壓機(jī)設(shè)計(jì)資料得到壓機(jī)油泵的流量為Q=40 m3/h，熱壓板內(nèi)管路直徑d=32 mm;估算導(dǎo)熱油的入口速度v。

代入數(shù)據(jù)得到v=2.303 7 m/s;根據(jù)工藝要求進(jìn)口油溫取為200℃，即473 K。

2 溫度場(chǎng)分析建模［5］

由圖1和圖2可以看出該熱壓板管路由6個(gè)回路組成，各個(gè)管路沿?zé)釅喊蹇v向(熱壓板長(zhǎng)度方向)布置，其中獨(dú)立回路為 A1、A2、A3。而 A1R、A2R、A3R分別為A1、A2、A3關(guān)于板面中心點(diǎn)的對(duì)稱回路。雖然左右兩部分回路樣式相同但是由于進(jìn)、出油口相反，導(dǎo)致各自溫度屬性并非完全相同［6］。因此以下將對(duì)所有6個(gè)回路進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，再對(duì)整塊板做溫度場(chǎng)分析。通過對(duì)各單個(gè)回路及整塊熱壓板的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，試圖找出更加合理的管路布置方式以提高熱壓板溫度均勻性。

因不便看出整塊熱壓板溫度云圖的分布規(guī)律，為準(zhǔn)確分析單個(gè)回路在邊界的溫度分布及板面溫度變化情況，選擇代表性的線作為溫度分析參考線。以A1板為例，選離進(jìn)油口最近的線為L(zhǎng)ine－in－A1part，其對(duì)邊為 Line－out－A1part，兩對(duì)角邊為 Line－diagonal1－A1part、Line－diagonal2－A1part，中線為 line－midlineall。

3 有限元分析結(jié)果

通過對(duì)A1回路的Fluent仿真分析得到A1部分工作面的溫度分布及參考線的平均溫度，單個(gè)回路的溫度云圖直觀地顯示了各自工作板面的溫度分布，考慮到各個(gè)管路沿?zé)釅喊蹇v向(圖2所示X方向)布置，為了尋找更合理的管路組合，提取各回路上所有節(jié)點(diǎn)沿縱向的節(jié)點(diǎn)溫度分布圖，對(duì)比分析各回路沿縱向的溫度屬性，同樣的方法得到其余5種回路的仿真分析數(shù)據(jù)。由于篇幅所限，只列出A1回路的分析結(jié)果(圖3～5)，其余各個(gè)回路的溫度數(shù)據(jù)通過表1呈現(xiàn)。

表1 各單個(gè)回路的溫度數(shù)據(jù)

由各回路沿X方向的節(jié)點(diǎn)溫度分布圖可知，具有相反進(jìn)、出油口而類型相同的回路的節(jié)點(diǎn)溫度離散性相似，如 A1與 A1R、A2與 A2R、A3與 A3R，其中 A1與A1R最分散，A2與A2R次之，A3與A3R最集中;因仿真分析中考慮到板與空氣的對(duì)流換熱，各個(gè)回路在兩端都體現(xiàn)溫度下降趨勢(shì)，各回路節(jié)點(diǎn)溫度分布圖也顯示各參考線上節(jié)點(diǎn)溫度能表征各個(gè)回路工作面的溫度趨勢(shì)。設(shè)計(jì)管路時(shí)從管路合理布置、安裝制作工藝考慮，熱壓板的回路一般關(guān)于板中心點(diǎn)對(duì)稱，即熱壓板一般都會(huì)出現(xiàn)相反進(jìn)、出油口而類型相同的回路?；谝陨显O(shè)計(jì)分析及仿真數(shù)據(jù)對(duì)單個(gè)回路進(jìn)行比較分析:

(1)A1回路兩邊具有最大邊溫差1.822 87 K，A1R同樣具有較大的邊溫差1.008 2 K。即具有相同類型回路的A1和A1R不論進(jìn)、出油口如何布置均有大于1K的邊溫差，兩者的板面平均溫度均低于其他回路。

(2)A2、A2R回路邊溫差為0.583 62 K、0.483 22 K，為3種獨(dú)立回路中最小值。A2、A2R的板面平均溫度差為0.046 0 K，其中A2R具有最高板面平均溫度。

(3)A3回路兩邊有最小邊溫差0.447 6 K，A3R邊溫差為0.657 47 K。兩者的板面平均溫度只差0.209 87 K，為相反進(jìn)、出油口而類型相同的回路中的最小值。

類似于對(duì)回路的分析，得到整塊熱壓板溫度分布云圖(圖6)及熱壓板所選參考線節(jié)點(diǎn)溫度分布(圖7):

(1)由溫度云圖知，熱壓板最低溫度455.832 K出現(xiàn)在4個(gè)直角處，最大值465.467 K出現(xiàn)在x=853 mm、y=787 mm處。雖然整塊板由不同溫度屬性回路組合而成，但由于板間的熱傳導(dǎo)，整板溫度連續(xù)。

(2)對(duì)選定的參考線分析可知，除去接近邊界部分，line－diagonal1－all、line－diagonal2－all、line－midline－all的變化趨勢(shì)相似，即 line－midline－all能夠反映整個(gè)板溫度沿縱向變化趨勢(shì)，特別是工作區(qū)域的溫度變化。

(3)由于熱壓板與空氣的對(duì)流換熱，參考線linemidline－all在靠近邊界處溫度為最小值，且參考線溫度主要分布在464～465 K間。

4 新管路組合模型

根據(jù)以上分析得到:A3與A3R具有最小板面溫差，溫度分布集中;A1，A1R具有較大邊溫差，溫度分布分散;整塊熱壓板參考線line－midline－all的變化趨勢(shì)顯示在A2、A2R區(qū)域內(nèi)熱壓板溫度波動(dòng)大。在分析單個(gè)回路及已有管路組合 A1－A2－A3－A3R－A2RA1R的基礎(chǔ)上提出新的回路組合A3－A3R－A3－A3RA3－A3R。

為了便于比較分析，選取熱壓板的典型分析參考線line－midline－all為分析對(duì)象而得到節(jié)點(diǎn)溫度圖，為便于統(tǒng)計(jì)，分析得出了熱壓板整個(gè)工作面溫度分布直方圖，結(jié)果如圖8～11所示。

以下將對(duì)原有熱壓板與新組合熱壓板從參考線變化趨勢(shì)、熱壓板溫度分布區(qū)間兩方面進(jìn)行比較分析:

(1)新的回路組合在熱壓板工作區(qū)的中心參考線上節(jié)點(diǎn)溫度最小值為461.947 6 K，最大值為464.695 4 K，相差2.747 8 K。原熱壓板在相同區(qū)域中心參考線上節(jié)點(diǎn)溫度最小值為461.812 5 K，最大值為464.848 8 K，相差3.036 3 K，新的回路組合的溫度精度比原有回路提高9.5%，新的回路組合的溫度精度有較明顯提高。

(2)原回路組合有67.77%的溫度節(jié)點(diǎn)分布在464.2～464.8 K這個(gè)主要工作溫度區(qū)間內(nèi)，而新回路的熱壓板這個(gè)比例為70.88%，提高了3.11%，新熱壓板溫度分布更加均勻、合理。

5 結(jié)語

(1)對(duì)6種不同的回路分別分析了各自溫度場(chǎng)，并結(jié)合熱壓板工作的實(shí)際工況闡述了關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定的依據(jù)及相關(guān)理論。并比較所得參數(shù)，對(duì)各個(gè)回路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為不同管路的組合提供溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

(2)優(yōu)化了熱壓板的回路布置，從多個(gè)角度數(shù)據(jù)對(duì)比可知新的回路組合提高了熱壓板的控制精度，具有更好的溫度分布，能夠?yàn)樯a(chǎn)出更高質(zhì)量的人造板提供技術(shù)支持。

(3)所采用的溫度場(chǎng)有限元分析方法為以后類似的熱分析提供參考。

［1］顧瑞芳.熱壓板的深孔加工［J］.裝備機(jī)械，2012(2):54－59.

［2］Incropera Frank P，David P Dewitt.Fundamentals of heat transfer［M］.5th ed.New York:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2002.

［3］Holman J P.Heat transfer［M］.9th ed.New York:McGraw－Hill，2002.

［4］章熙民，仁澤霈，梅飛鳴.傳熱學(xué)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［5］尚曉江.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［6］鐘宏章，張徐發(fā).熱壓機(jī)的熱壓板溫度差異分析［J］.木材加工機(jī)械，1997(3):29－30.