[发明专利]一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法

权利要求书

1.一种基于动网格方法的高温碳化炉中丝束加热性能三维模拟方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤：

(1)、采用三维CAD软件SOLIDWORKS建立高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型；

(2)、将步骤(1)建立的高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型分别传递到ICEM软件的Global Mesh Setup模块中，在Global Mesh Setup模块中VolumeMeshing Parameters设置网格划分类型为Tetra/Mixed，对高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型进行网格划分，整个计算域采用非结构网格，对靠近丝束表面壁面处进行网格加密，根据ICEM软件中网格质量的判断标准，保证整体结构的网格质量大于0.5，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括丝束壁面、炉腔进出口和炉腔壁面边界名称；

(3)、将划分好网格的流体计算域和被加热丝束的三维仿真模型传递到ANSYS软件的FLUENT模块，并进行设置边界条件；

(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中丝束加热性能的指标；ANSYS软件中的FLUENT模块进行设置的过程如下：

(4.1)、在User Defined选项导入根据工艺参数编制的自定义丝束运动参数，通过UDF控制被加热丝束的运动状态，实现丝束在高温碳化炉中运动过程；

(4.2)、在General选项中，将y方向Gravitational Acceleration根据实际设定为预设值，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)在Materials Fluid选项部分选择空气和氮气；在Materials Solid选项建立丝束的物理参数，包括密度、比热容和热传导率参数；

(4.5)、在Cell Zone Conditions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；将Solid1部分设为丝束；

(4.6)、在Boundary Conditions选项中设置入口边界条件为Pressure-inlet，并将Velocity Magnitude根据实际要求设置为预设值，Thermal选项设置为udf tm-inlet，设置出口边界条件为Pressure-outlet，将一侧壁面设置为对流换热面，UDF定义每小时内炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际要求设置为预设值，其他壁面设置为绝热壁面，将丝束与气体接触面设置为Coupled；

(4.7)、在Dynamic Mesh选项，并勾选激活动网格选项，勾选Mesh Methods选项中的Smoothing，Remeshing选项；在Dynamic Mesh Zones中定义运动区域，在Zone Names下选择rigid wall，在Type中选择Rigid Body，在Preview Mesh Motion中设置预览网格运动；

(4.8)、选择Check Case后进行计算，计算时间根据实际工程中参数设定；其中选择Check Case后进行计算所使用的高温碳化炉全流场计算的三维数学模型，包括有连续性方程、动量方程和能量方程，分别如下所示：

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，C_p—比热容，T—温度，k—流体传热系数，S_T—粘性耗散项；

(5)、在相同设置条件下，通过将高温碳化炉马弗腔体流体计算域和被加热丝束的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，由检测面的温度变化云图，利用后处理软件CFD-POST实现丝束加热过程中炉腔内温度场、丝束表面温度场的可视性，直观输出的结果。