基于Fluent铝熔体旋转喷吹阻流板消除旋涡的机理研究

作者:范超;张炯;孔凡校;唐清春;胡义华; 刊名:铸造技术 上传者:金叶

【摘要】采用Fluent软件分析了在同等转子转速条件下,阻流板对液面旋涡的影响。结果表明:阻流板能够降低铝熔体切向流速度,熔体速度场和压力场呈不对称分布,离心力较小,液面平稳、不容易产生漩涡。

全文阅读

铝合金铸件在加工成产品前必须进行熔体净化处理,消除其气体、固体杂质,提高其品质[1-4]。旋转喷吹法目前被认为是最先进有效的铝熔体净化方法,在国内外获得广泛应用[5,6]。为了提高净化效率,实际生产中,往往需要增加转子的旋转速度,但这很容易在熔体液面产生漩涡,漩涡会使已经脱除到液面的夹渣重新卷入到熔体中,并且还会破坏液面保护膜,导致熔体的烧损且产生更多的杂质。此外由于密度差的作用,净化气泡容易吸附到漩涡的周围,导致气泡难以分散,不利于他们与熔体的接触。这些现象最终会导致铝熔体净化程度低和质量不稳定。实际的生产中,通常是采用阻流板来消除旋涡。但由于铝熔体精炼时温度很高且不透明,液面漩涡大小、位置可以通过观察液面获得,而熔体内部流场却很难直接观察到,很难考察阻流板对旋涡的抑制机理。近年来,随着计算机技术和计算流体动力学(computational fluid dynamics,简写CFD)[7]的发展,采用数值模拟仿真技术可视化旋转喷吹净化过程的流场已经可以实现。本文采用商用CFD软件Fluent数值模拟阻流板铝熔体旋转喷吹净化过程,研究内部流场特征规律,以期找出阻流板对旋涡的抑制机理,从而完善旋转喷吹净化技术。1实验过程1.1旋涡的形成原因学术上认为液面旋涡是由于熔体在旋转搅拌时受到惯性离心力的作用而产生的,但引起惯性离心力的原因却有不同观点。一种观点认为[9]:石墨转子的搅拌引起的流动包括:切向流、循环流、径向流等,而熔体受到离心力是由于切向流的作用,切向流越强,漩涡越明显。另一种观点认为[9]:惯性离心力是由于熔体受到的角速度的影响,惯性离心力的大小与转子的角速度成正比,转速越快,旋涡越大。无论是切向流,还是角速度都属于流场研究的范畴。1.2数值模拟实验采用FLUENT的前处理软件Gambit建立模型,坩埚底部直径为300 mm,上部直径为400 mm,铝熔体重为30 kg,石墨杆直径为20 mm,转子直径图1转子位置横截面熔体矢量图Fig.1 The velocity vector diagram of rotor position in cross section为40 mm,高度为30 mm,气孔直径为3 mm、数量为6个、距坩埚底部50 mm,阻流杆直径为20 mm、距中心距离为80 mm、对称分布。网格划分后,导入FLUENT中进行计算。采用非定常欧拉模型和标准的湍流k-ε模型进行求解。转子接触的内域,采用移动坐标系,旋转速度设定为所需的角速度。石墨杆和转子设为移动壁面,其旋转速度相对于旋转坐标系为0。顶部表面设为压力出口边界。所有的壁面(坩埚、阻流板等)定义设为固定壁面且为无滑动,并采用标准壁面函数(剪切应力近似为半经验的函数)进行处理。采用有限体积法对方程进行离散,采用相耦合的SIMPLE算法对压力和速度进行耦合,采用一阶迎风差分格式对动量和湍动量进行离散。当所有变量的残差低于10-3,认为收敛,计算结束。以石墨转子550 r/min时,有无阻流板实验条件进行对比,考察阻流板对旋涡的影响。2实验结果及分析2.1流速分析在铝熔体旋转喷吹过程中,石墨转子速度越快,熔体流速越大,液面形成旋涡的可能性也越大。图1为转子位置横截面熔体矢量图。从图可以看出,熔体的流速是由石墨转子的旋转运动通过动量传输给熔体的,它由径向速度和角速度所组成,占主导地位的是角速度,即切向的旋转运动。石墨转子附近的流速最快,受转子的作用最明显。无挡板时,熔体流速以转子为中心,呈对称分布,上下、左右的速度相等,方向相反,这将产生离心力,驱动熔体向坩埚壁方向流动,当转子

参考文献

引证文献

问答

我要提问