[发明专利]一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法

权利要求书

1.一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括有如下步骤：

(1)、采用三维CAD软件SOLIDWORKS软件建立高温碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型，并设定相关参数，相关参数包括：保温层几何形状和几何尺寸，内部炉腔几何形状和几何尺寸，以及石墨加热管几何形状和几何尺寸；

(2)、将三维仿真模型进行网格划分；将步骤(1)建立的碳化炉保温层和炉内腔体的三维仿真模型传递到ICEM软件的Blocking模块中，在Blocking模块中采用O-Block方式对三维仿真模型进行网格划分,网格划分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子为默认值1.2，根据软件中网格质量的判断标准，同时保证整体结构的网格质量大于0.9，同时为了便于后期设置计算条件，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括保温层，加热管壁面，炉腔壁面；

(3)、将网格划分好的三维仿真模型导入ANSYS软件的FLUENT模块，并对FLUENT模块进行设置；

(4)、在ANSYS软件中的FLUENT模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉保温层材料隔热性能的指标；对ANSYS软件中的FLUENT进行设置的过程如下：

(4.1)、在User Defined选项导入根据设备运行工艺参数编制的自定义温度参数；

(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为Transient瞬态传热；

(4.3)、将Models选项中的Energy勾选Energy Equation，Viscous Models选项中选取laminar模型，为了判断炉腔内气流运动状态，引入雷诺数进行描述，雷诺数的计算公式为：

其中，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度；通过雷诺数的计算，进而选择湍流模型为laminar模型；

(4.4)、将Models选项中的Radiation Model勾选Surface to Surface,并在ViewFactor and Clustering选项点击Compute/Write/Read进行保存；

(4.5)、在Materials Fluid选项部分选择氧气和氮气，在Materials Solid选项部分新建保温材料，材料的属性主要有密度、比热容、导热系数，然后分别选择每种新建的保温材料；

(4.6)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氮气，Fluid3部分设为空气；将Solid1部分设为第一种保温材料，Solid2部分设为第二种保温材料，Solid3部分设为第三种保温材料；

(4.7)、在Boundary Conditions选项中设置保温材料之间的传热方式为Coupled，加热管表面设置为UDF定义每小时内管壁温度值，炉腔内气体与保温材料、加热管之间传热方式为Coupled；

(4.8)、选择Check case后进行计算；选择Check case后进行计算基础的高温碳化炉传热计算的三维数学模型，包含的三维连续性方程、动量方程、能量方程分别如公式(1)、(2)、(3)所示：

式中，ρ-流体密度；t-时间；V-速度矢量，其中u、v、w为V在x、y及z三个方向上的分量；

动量方程的Navier-Stokes方程：

其中，μ是动力黏度，F_b是微元上的体积力；

能量守恒方程：

其中，h为炉内气体的比焓；λ为炉内气体的导热系数；gradT为气体传热面法向温度梯度；S_h为气体内部的热源；Φ为气体的耗散函数；

热传导问题的控制方程根据Fourier传热定律和能量守恒方程来建立，对固体而言，其瞬态温度场T(x,y,z,t)满足以下方程：

其中，ρ代表材料密度，C_T代表材料比热，κ_x，κ_y，κ_z分别代表沿x，y，z方向的热传导系数，Q(x,y,z,t)代表物体内部热源强度；

选择高温碳化炉外部保温层三维仿真模型的监测面为过中心点的Y方向平面；

仿真结果包括：监测面的温度变化云图；

(5)、在相同设置条件下，通过将三维仿真模型设置不同参数并重复步骤(1)-(4)，以进行多次模拟计算，由高温碳化炉保温层温度分布特性云图，以此确定不同保温层的材料与几何尺寸。