[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

说明书

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，涉及到碳纤维生产中所用的高温碳化炉设计模拟分析方法技术领域。针对现有高温碳化炉设计过程中三维模拟方法的技术不足，包括：(1)、建立三维仿真模型；(2)、传递到ICEM软件的Global Mesh Setup模块中，进行网格划分；(3)、传递到ANSYS软件的FLUENT模块，并进行设置边界条件；(4)、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；(5)、重复步骤(1)‑(4)，由检测面的温度变化云图，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。降低成本，缩短产品开发周期，为数值模拟研究提供依据。

技术领域

本发明涉及到碳纤维生产中所用的高温碳化炉设计模拟分析方法技术领域。

背景技术

碳纤维生产属于高耗能产业，其中的高温碳化炉是碳纤维生产设备中的耗能大户之一，同时，高温碳化炉也是碳纤维生产的关键设备，主要用于对预氧丝进行高温碳化，使其转化为碳元素含量大于90％的碳纤维。高温碳化炉是高温技术和高温设备的集成，使用温度一般在1000℃-1600℃。目前在碳纤维生产中，产品的质量主要在生产流程完成后进行检测，导致产品的质量不能在生产中进行动态调整，产品合格率难以提高。高温碳化炉内温度场的均匀性对产品的性能至关重要，并且炉内温度在1000℃以上，常规的测试手段不能满足要求，因此需要选择合理的设计方法，保证炉壁能达到符合规范的表面温度，使丝束在炉腔内受热均匀，同时降低单位能耗。

发明内容

综上所述，本发明是针对现有高温碳化炉设计过程中，缺少能保证炉壁能达到符合规范的表面温度，使丝束在炉腔内受热均匀，同时降低单位能耗的加热性能三维模拟方法的技术不足，而提出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。

为解决本发明所提出的技术问题，采用的技术方案为：

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Volume Meshing 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：