基于Fluent软件的铝熔体旋转喷吹净化过程的流场分析

作者:范超;张炯;孔凡校;唐清春;胡义华 刊名:铸造技术 上传者:马威

【摘要】借助CFD技术,分析了不同旋转速度和位置对铝熔体净化过程流场的影响。结果表明:600 r/min中心搅拌时,熔体内部出现了4个循环流。采用偏置搅拌时,速度场和压力场呈不对称分布,离心力较小,液面漩涡不容易产生。

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旋转喷吹净化技术,能够显著改善铝熔体净化过程的动力学条件,是目前国内外广泛应用的一种净化方法[1,2]。数字仿真,是一种高效经济的工艺设计和优化的手段,但其结果可信赖程度却高度依赖工艺模型的合理抽象和工艺参数的科学定义[3]。本文采用计算流体动力学(computationalfluiddynamics,简写CFD)技术,分析铝熔体旋转喷吹净化过程中转子转速、位置等参数对熔池净化流场的影响,找出内在规律,以期为实际生产作指导。1模型的建立及计算过程计算采用的模型如图1所示。该模型分为中心搅拌和偏置搅拌两种,其中偏置搅拌时石墨转子偏离中心的距离为40mm。计算模型中石墨坩埚和石墨转子的的相关参数见表1。由于采用多参考坐标系法,需要把计算域分成内、外两个子域。其中内域包含旋转的石墨转子(图1黄色的区域),外域包括静止的坩埚(图1黑色的区域)。采用FLUENT的前处理软件Gambit将整个模型中的内、外子域进行网格划分,使用非结构化四面体单元。为使计算更加准确,对重要区域进行局部(a)中心搅拌(b)偏置搅拌图1模型计算区域与网格划分示意图Fig.1Theschematicdiagramofmodelcomputationaldomainandmeshgeneration参数尺寸/mm坩埚底部直径300坩埚上部直径400熔体深度350石墨杆直径20转子直径40转子高度30转子气孔数目6气孔直径3转子距离坩埚底部的距离50表1计算模型中坩埚和转子的尺寸Tab.1Dimensionsofthecrucibleandtrochanterianusedinthecalculationmodel0.000.450.901.351.802.252.703.00网格加密,最终生成的单元总数:中心搅拌模式约为319687个,偏置搅拌模式约为316678个。将模型导入到商用软件FLUENT中进行计算。采用非定常欧拉模型和标准的湍流k-模型进行求解。石墨转子接触的内域,采用移动坐标系,它的旋转速度设定为所需的角速度。石墨杆的边界条件与它类似。石墨转子设为移动壁面,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。石墨坩埚的壁面设为固定壁面。所有的壁面定义为无滑动的壁面,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、体积分率和湍动量进行离散。当所有变量的残差低于10-3,认为收敛,计算结束。转子的旋转速度和搅拌的位置都会对精炼过程的流场产生重要影响。因此,本研究采用石墨转子在300r/min和600r/min,中心搅拌和偏置搅拌条件下,通过对比,研究它们对内部流场和液面的影响。2计算结果与分析2.1速度场分析图2为各种参数条件下,纵截面的速度矢量图。可以看出,石墨转子采用300r/min和中心搅拌方式时,见图2(a),由于石墨转子旋转搅拌作用,刀片的位置产生较大的切向速度,最大约为1.5m/s,这个位置也是产生最大剪切应力,将气泡破碎成细小气泡的区域。在石墨转子旋转的带动下,精炼器内靠近底部的区域,出现了两个对称的循环流熔体。由于搅拌速度不大,精炼器上方熔体的速度没有下方快,没有通气,所以未发现径向流。随着转子旋转速度的升高,如图2(b)所示。石墨转子刀片的位置的切向速度明显增大,最高达到3m/s。在石墨转子强力搅拌的作用下,精炼器内部熔体出现了4个循环流,速度也较300r/min时的快,熔体得到了充分搅拌。但在石墨杆周围出现了向下流动的流场,这是引起

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