FLUENT电热炉的模拟与讨论_Fluent_爆炸_材料

FLUENT电热炉的模拟与讨论

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正文共： 1215字 5图预计阅读时间： 4分钟

今天，我们讨论一个工程实际问题。在SOFC/SOEC领域，电热炉是极为常见的一个设备。其核心的方面就是加热和保温，二者相辅相成，保温做得好，则加热能耗也会降低。电热炉可以简化为如下的模型，加热源负责为炉内提供热量以实现升温目的，保温层负责保温，避免显著的热损失。但实际上，保温层不可能做到绝热，一定会有漏热。漏热包含通过保温材料导热传递到外界环境的热量以及通过保温层结构缝隙通过气体流动带走的热量，今天我们讨论的重点就是这第二部分漏热。对于常规的电热炉，就是保温层加电热丝，关键地，由于保温的结构是拼合的，因此可以认为炉内是不可能做到全封闭的。假设是全封闭，则内部如果不抽真空的话，那么随着温度上升，气体膨胀，内部压力会逐渐升高，我们简化为理想气体状态方程，则最终的压力和温度根据方式pv=nRT，可知都将升高。而如前所述，保温结构不可能是全封闭，那么随着温度升高，保温箱就处于漏气的状态，即内部气体膨胀，压力升高而被排出。而实际上，加热不可能瞬间完成，而是控制在一定的温升速率，否则就是爆炸了。因此，我们可以认为，炉内的气体处在恒压膨胀的过程，即内部压力和外界环境压力相当，但是实际上一定会略大于外部压力，否则就不会漏气了，只是这个压差是受到温升速率影响的。根据上面分析，我们可以得出这样的结论，通常情况下，无论保温材料的导热系数多小，升温阶段的漏热（漏气）都是无法避免的，而且导热系数越小，漏气越块。但是，这个漏气却不影响炉子的保温性能，因为当漏气至炉内压力保持和外部压力相等时，则达到平衡不再漏气了。因此，电热炉的工作过程可以概况为：升温时，内部温度和压力升高，气体排出，直至内外压力平衡；降温时，内部温度和压力降低，气体被吸入直至内外压力平衡。注意，这里所述的漏气和保温结构问题造成的气体对流（即冷气进、热气出）是完全不同的，后者会严重影响保温效果，感兴趣的读者可以查看我们以前关于漏热的案例。

我们针对上述的问题，在FLUENT做一个模拟。建立如下的简化模型，包含热源、保温面和漏气口。本案例我们将保温面设置为绝热壁面，热源设置为恒温面（750℃），漏气口为压力出口，表压为0Pa。注意，本案例的重点是将气体的密度设置为理想气体（ideal gas），我们同时考虑了重力的影响，采用DO模型考虑辐射换热（对于加热炉，辐射作用不可忽视，本案例考虑热源和保温壁面的辐射换热，内部气体本身不参与。因此，我们将参考密度设置为0kg/m3，参考压力设置为0Pa，在设置压力出口的时候，压力要设置为101325Pa。我们以101325Pa、26.85℃为初始值进行瞬态计算，时间步长0.005s，监测内部平均压力、平均温度以及气体质量的变化。

计算结果如下，可以看出，温度上升、压力高于101325Pa，但是在逐渐趋近于101325Pa，内部气体由于被排出，质量逐渐减少。本案例并未计算到稳定状态。

内部平均温度曲线

内部平均压力曲线

内部气体质量曲线

来源：仿真与工程

FLUENT真空环境下辐射换热计算

正文共： 542字 9图预计阅读时间： 2分钟1 前言之前我们做过一个电热炉的案例，今天我们继续做一个案例，本案例相比之前的案例区别在于炉内环境是真空环境。真空环境的传热完全依赖于辐射换热了，因为没有介质的存在了。该问题如何模拟呢？今天我们讨论一下。我们知道，真空可以视为极其稀薄的介质，因此可以用极其稀薄的气体物性参数来描述真空传热特性。这里的物性参数诸如密度、导热系数、比热、粘性系数、吸收系数、散射系数等，全部采用非常小的值来替代即可，比如1×10-15的数量级。2 建模与网格创建如下的二维平面模型，一个高温壁面和一个实体球放置在密闭空间内，计算实体球的温度情况。3 求解设置如前文所述，该案例的核心在于辐射模型和物性参数的设置，有研究表明采用DO辐射模型可以较好地模拟真空环境的传热问题。物性参数设置如下。高温壁面温度为400K，所有壁面的内部发射率均设置为1。外部壁面设置为如下边界。这里特别指出一个技巧，由于真空环境反映的传热本质是既没有对流也没有导热，因此可以仅仅求解能量方程和辐射方程，从而加快计算，而由于导热系数几乎等于0，因此导热几乎为0。4 计算结果首先看一下计算域的温度分布云图。再计算一下实体球的平均温度，可以看出其被加热到了325.5K。最后看一下能量流，可以看出总传热功率即等于辐射功率，即反映了真空环境的传热。来源：仿真与工程