[发明专利]一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法，属于金属热加工工艺参数设计领域。

背景技术

换热系数是钢轨喷雾冷却工艺中的重要参数，它直接影响着钢轨温度变化快慢和组织变化情况。喷雾过程中影响换热系数的因素比较多，不能直接被测量出来，需要利用反传热学理论才能计算出来。寻求精确的方法获取钢轨喷雾过程表面综合换热系数具有重要的工程实际意义。近年来，人们对构件表面换热系数的计算方法做了很多研究，但主要是研究形状规则的圆柱、圆筒或方形板等构件，并且是按一维问题来研究的。而对于像钢轨这样具有异形截面的构件，其表面综合换热系数的研究却很少。

发明内容

本发明的目的是在于利用反传热学理论和有限元软件准确地计算出钢轨喷雾过程中的表面综合换热系数。

本发明是通过下述方案予以实现的：

结合有限元软件ABAQUS和其脚本语言python计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数，具体过程为:

步骤1，在待测钢轨的对称面上距离钢轨上表面5-11mm处1#钻孔，钻孔内放置热电偶，将带有热电偶的钢轨在加热炉中加热到900-980℃保温均匀后，以不超过60s的时间迅速转移到喷雾装置中，轨头喷嘴距钢轨上表面距离S₁为0-300mm处，水流量为0-1.800 m³/h，气压为0-0.40Mpa，水雾温度设定20-25℃，喷雾150-300s，热电偶将测得钢轨内部特征点温度通过ADAM采集卡发送到计算机，并绘制冷却曲线，即得到钢轨1#处的冷却曲线；

步骤2，把上述钢轨1#点处的冷却曲线按时间t分成时间步，以便计算每步的综合换热系数；

步骤3，基于ABAQUS有限元平台，建立钢轨的几何模型，赋给钢轨的导热系数、膨胀系数、定压比热密度为7800kg/m³，发生潜热的固态温度为570℃，液态温度为620℃，相变潜热为78200J，设定初始温度900-980℃，设定水雾的温度为20-25℃，创建三个时间步，第一时间步的时间最初t，然后每计算出一个综合换热系数，第一时间步的时间就增加t，第二、第三时间步的时间均为t，以1-5mm的尺寸大小划分单元格，设定钢轨截面的周边上的综合换热系数为h；

步骤4，给第一个时间步长时温度所对应的综合换热系数h一个初始值h₁，带入钢轨计算模型，算出在第一个时间步长时1#点的计算温度值T₁；

步骤5，增加综合换热系数h为h₂= h₁+50，再代入钢轨计算模型，算出在第一个时间步长时1#点处的计算温度值T₂，判断计算温度值T₂与实验值T₀之差的绝对值是否小于或等于0-1℃，如果小于或等于0-1℃，则认为该温度所对应的综合换热系数为h₂；

步骤6，若大于0-1℃，根据温度随着综合换热系数变化的比例 (h₂-h₁)/(T₂- T₁) ，修改综合换热系数h为h₃= h₁+(h₂-h₁)(T₀- T₁)/(T₂- T₁)，再代入钢轨计算模型，算出第一个时间步长时1#点处的计算温度值T₃，判断计算温度值T₃与实验温度值T₀之差的绝对值是否小于或等于0-1℃，如果小于或等于0-1℃，则认为该温度所对应的综合换热系数为h₃；

步骤7，若大于0-1℃，就按照步骤6迭代，直到温度误差达到允许范围，此时的综合换热系数h_n为钢轨在该温度时所对应的表面的综合换热系数；

步骤8，把前N个时间步算出来的综合换热系数均代入钢轨计算模型，并从初始温度开始，按照步骤3～步骤7相同的计算方法，计算出第N+1时间步时钢轨的表面综合换热系数；

步骤9，以此类推，最终计算出在该喷雾条件下钢轨的表面综合换热系数随温度的变化曲线；

步骤10，把钢轨综合换热系数随温度变化曲线代入钢轨计算模型，计算钢轨喷雾冷却过程，求出温度场，并与实验值对比。