[发明专利]一种考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法

权利要求书

1.一种考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据棒材几何参数，在有限元分析软件ANSYS的前处理模块中建立棒材的三维几何模型，或在三维建模软件中建立棒材的三维几何模型，并将节点单元数据读入有限元分析软件ANSYS中；

步骤2：建立材料热物性参数模型；

步骤3：在有限元分析软件ANSYS中对棒材的三维几何模型进行网格划分；

步骤4：定义实体单元和表面效应单元类型及表面效应单元实常数；

步骤5：设置初始条件和边界条件；

步骤6：施加载荷及载荷选项；

步骤7：导入相变热模型；

利用有限元分析软件ANSYS计算空冷状态下相变潜热时，利用补热法进行模拟分析，将相变潜热作为一个内热源加入到有限元分析软件ANSYS分析过程中，即在相变区间内，通过内热源释放等效的热量从而替代相变产生的热量，具体相变热模型如下：

即：

式中T代表温度(℃)，x、y分别为中间坯厚度和宽度方向坐标，λ代表试验钢的导热系数(W/m·k)，ρ代表试验钢的密度(kg/m³)，Cp代表试验钢的比热容(J/kg·K)，qv代表内热源强度(W/m³)；

步骤8：进行模拟求解设置；

步骤9：设置计算时间步长和迭代步数，完成求解；

步骤10：进入时间-历程POST26后处理器，对所述相变热模型进行瞬态分析，获取棒材三维几何模型在冷却过程中任意时间点上的温度值，计算棒材芯部考虑相变热的温度变化曲线。

2.如权利要求1所述的考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，所述材料热物性参数包括材料不同温度下的材料密度、导热系数、比热容。

3.如权利要求1所述的考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，所述步骤4，选用SOLID70实体单元和SURF152表面效应单元覆盖需要施加载荷的热实体表面，设置SURF152表面效应单元的斯蒂芬·波尔兹曼常数，将SURF152表面效应单元作为施加所需载荷的管道。

4.如权利要求1所述的考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，所述步骤5，设置边界条件为：

式中T_W代表固体的表面温度(℃)，T_A代表流体主流温度(℃)，h_z代表综合换热系数(W/m²·℃)；h_a代表对流换热系数(W/m²·℃)，h_r代表辐射换热(W/m²·℃)。

5.如权利要求1所述的考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，所述步骤6，将载荷施加在棒材的三维几何模型的节点和单元上，根据实际情况对三维几何模型进行加载，包括棒材初始均匀温度场、环境温度，定义分析类型为瞬态分析，载荷步选择Stepped。

6.如权利要求1所述的考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，所述步骤8，采用牛顿-拉夫森法进行求解，求解器选用SPARSE求解器，设置求解的结果为：(1)节点的自由度值，为基本解；(2)原始解的导出值，为单元解。

7.如权利要求1所述的考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于，所述步骤3，采用mapped网格划分方式，网格采用六面体网格，单元尺寸设为1。