（材料加工工程专业论文）基于ansys的铸件充型过程的数值模拟研究.pdf

基于a n s y s 的铸件充型过程的数值模拟研究 研究生姓名：陶盼 导师姓名：廖恒成副教授 学校名称：东南大学 铸件充型过程是铸件成形的第一个阶段，对铸件的凝固过程有着重要的影响。因此，了解并控 制充型过程是获得优质铸件的重要条件。本文以有限元软件a n s y s 为平台，对h t l 5 0 长方体铸件 充型过程的流场与温度场进行了深入的研究。 以a n s y s c f d 模块为平台，利用不可压缩流体的流动控制方程和标准k s 模型，进行了水 充型过程流场的数值模拟。用已有实验结果验证，表明模拟结果是可信的。在漏包浇注条件下，研 究了不同的浇包形状对充型时入口速度、填充顺序和流动状态的影响。指出当采用不良形状浇包充 型时入口速度波动较大，会产生浇道内的流空现象，并可能使大量气体卷入。对不同入口速度的 h t l 5 0 金属液充型进行了模拟计算，考察了其填充顺序以及自由表面形貌。当入口速度较小时，充 型过程平稳，无卷气现象，自由表面没有明显起伏：当入口速度较大时，直浇道下方压力大，金属 液在充型过程中与型壁之间撞击强烈，卷气现象明显，自由表面上方有明显的塌陷。 为使金属液的流动更接近真实的情况，本研究中采用变黏度值与变密度值，对充型过程进行了 耦合流场与温度场的数值模拟研究，分析了h t l 5 0 金属液充型过程中流场与温度场的相互作用，并 比较了耦合温度场与未耦合温度场的流场。结果表明，在充型过程的强迫对流换热模式下，流场对 温度场的分布起决定性的作用，而温度场对流场的影响微弱。原因是流体是温度的载体，流场的变 化决定了温度场的变化；而在充型过程中因温度变化引起的黏度变化非常小，而密度变化引起的自 然对流相对于充型本身的强迫对流而言也很微弱，因而温度场对流场的影响微弱。因此，耦合温度 场与未耦合温度场的流场基本一致。入口速度、浇注温度和铸型条件是影响金属液充型过程的重要 因素。入口速度对充型过程的流场和温度场的影响都很显著。入口速度小时，充型平稳，充型时间 长，热量损失大：充型速度大时，金属液与型壁撞击强烈，热量损失也大。不同浇注温度时，充型 过程中流场变化基本相同，而浇注温度的高低直接决定了充型结束时型腔内金属液温度的高低，但 对型腔内温度场的变化趋势没有明显的影响。铸型条件对流场的影响不明显，但直接影响充型过程 中型腔内金属液温度的高低。 结合以上模拟结果并综合考虑铸件形成过程中可能产生的冲砂、缩孔缩松、气孔等缺陷，在充 型过程中宜采用适中的入口速度，在保证铸件能充满型腔的前提条件下，宜选择较低的浇注温度。 关键词：流场，温度场，充型过程，数值模拟，有限元，铸件 a b s 廿a c t s t u d yo nn u m e c a ls i m u l a t i o n o fm o l df i l l i n go fac a s t i n g b a s e do na n s y ss o f r ，a r e b y i a o p 叽 s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f c s s o rl i a om n g c h e n g s o u m e a s tu n j v 盯s 时 m o l df i l l i l l gi sm ef i r s tp r o c e s so fac a s 廿n gf o h n i n ga n di tl l a sa ni i n p o r t a n t 砌u e n c eo n 血e s o l i d i f i c a t i o no f t h ec a s t i n g t h e r e f o r e ，hi so fi m p o r t a l l c ef o ro p t i n l i z 岖血eq u a l n yo fc a s t i n g st 0 u n d e r s t a n d 锄dc o i l 仃0 1t h em l i n gp r o c e s s ，i nm i s 廿1 e s i s ，t h en o wf i e l da n dt 1 1 et e m p e r a t l l r ef i e l do f ah t l 5 0 c a s t i n gd l l r i n gf i l l i n gw e r es t i l d i e dw i d e l yb a s e do n a n s y s af i n i t ee l e m e n tm e 血o ds o 行w a r e u s i n gm eg o v e n l i n ge q u a t i o n so fm cm c o m p r e s s i b l ev i s c o s 姆n u i da n dt 1 1 es t a l l d 删置一占m o d e l ， n l 】1 1 1 e r i c a ls i m u l a t i o no fw a t e rf i l l i r 培p r o c e s sw a sp e r f 岍n e da n dp r o v e dr a t i o n a la c c o r d i n gt 0 龇 e x p e 血l e n tr e s u l tb yy u a nh a o y a l l g ，t h ei l l n u e n c eo ft l l es h a p e so ft h eb o n o m p o u r 1 a d l e so nt h ei i l l e t v e l o c 时o fm c m e l m eo r d e ro f f i l l i n gm ec a v 时a n d t h es t a t eo f m e 丘e es u r f 她e w 船s m d 姒、1 1 e 1 1a l l i m p r o p e r b o t t o m p o 肝1 a d l ew 船l i s e d ，血e “e tv e l o c 蚵n u c n 戚e df i e r c e l y a i l dt h ea i rc o u l d b ee n g u l f e d i n t ot h er u 皿j n gc h 锄e 1 t h en 1 1 i n gp r o c e s s e so f h t l 5 0m e l tw i 廿1d i f r e r e n ti i l l e tv e l o c n i e sw 船s i u l a t e d ， a i l dm e 丘l l i l l go r d e ra n d 龇仃e es u 而c es h a p ew e r eo b s e r v e d w h e nt h ei i l l e tv e l o c n yw a ss m a l l ，m ef i l n g p r o c e s sw 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铸造作为一种基础产业，在国民经济中有着举足轻重的地位。铸件产品在机械类产品中占有很 大的比例。目前，我国的铸件产量已经达到1 4 0 0 1 5 0 0 万吨，超过美国跃居首位【ij 。然而，在我国 铸造仍是一个比较落后的产业，一直存在着铸件质量不稳定、废品率高、生产手段落后、生产环境 恶劣等问题，阻碍了铸造行业的发展。要提高铸件的质量，降低铸件的废品率，必须要分析研究铸 件的形成过程。铸件生产的实质是直接将液态的熔融金属由浇口浇入铸型型腔、金属液流经浇道、 进入型腔、充满型腔并最终在型腔内冷却，进而得到具有一定形状和结构并满足一定使用性能要求 的铸件的过程。铸件的充型过程是铸件形成的第一个阶段，也是一个非常重要的阶段。充型过程中 液态金属充填型腔的顺序不合理、充型过程不平稳以及充型时间过长等都会造成铸件缺陷的产生。 液态金属进入型腔时如果速度或流量过小，容易造成冷隔或浇不满的缺陷；相反，如果速度过大产 生喷射现象时，可能产生金属夹杂或铁豆，过大的流速冲击铸型的型壁还可能使型壁破损，产生砂 眼或多肉等缺陷。充型过程还影响铸件的温度场，不合适的充型过程会导致不利于补缩的初始温度 场，最终使铸件中产生缩孔缩松。由此可见，充型不合理可能产生诸多铸造缺陷。了解并控制铸件 的充型过程是获得优质铸件的重要条件。 由于金属液充型过程的复杂性及不可视性，在以往的生产实践中，往往根据人们的经验和直觉 对铸造工艺进行设计，也就是常用的试错法。试错法周期长、成本高，严重阻碍了铸造行业快速发 展。铸造过程的数值模拟的兴起与发展克服了试错法的种种弊端，为铸件工艺设计开辟了崭新的途 径。 随着计算机技术的飞速发展，铸造过程的数值模拟( 包括铸件充型、凝固过程、缩松缩孔预测、 应力分析及微观组织等的计算机模拟) 成为铸造学科发展的前沿之一。充型过程流场的数值模拟可 以有效地实现铸造生产过程中铸件的设计计算机模拟缺陷预测设计变更( 或再设计) 的过程，对降低铸造成本、缩短设计开发周期、提高铸件质量都有着重要的意义岬j 。 1 2 铸件充型过程数值模拟的发展概况 1 21 铸件充型过程数值模拟发展过程概况 随着计算机技术的发展，在上个世纪的六十年代初期数值模拟技术第一次被用来进行铸件的温 度场研究。经过四十年的发展，从简单的二维温度场的模拟计算到三维温度场的模拟计算，现在已 经实现了充型过程的流场与温度场的耦合数值模拟计算。大量研究表明，传热现象和流动现象是铸 件形成过程中同时存在的对铸件质量产生重要影响的两个主要影响因素。因此，铸件流动过程与传 热过程数值模拟是铸件形成过程数值模拟的重点所在9 j 。 铸件充型过程的数值模拟是建立在计算流体力学领域的研究结果基础上的工程应用。在计算流 体力学领域，能够计算带有自由表面的不可压缩流体的非稳态流动的数值方法产生于二十世纪6 0 年 代。1 9 8 3 年，w s h w g 和r as t o e l l r 成功地运用m a c 技术，模拟了两个简单形状铸件的二维充 型流动过程，清楚地显示了充型过程中金属液流动的自由表面和各处的速度分布【6j 。该研究展示了 东南大学硕士学位论文 数值模拟在铸件形成过程中的巨大作用。随后他采用m a c 、s m a c 法对薄板铸件进行了模拟计算， 并且考虑了型腔内气体背压及型腔壁阻力对充型形态的影响，将计算结果与水力模拟、高速摄影、x 射线荧光摄影结果进行了比较，计算结果与试验结果较相近，并认为m a c 、s m a c 法是充型过程数 值模拟的有效方法【7j 。此后，他又成功地用s o l a - v o f 法进行了铸造充型过程流场数值模拟”j 。1 9 8 8 年，w s h w a i l g 考虑到边界层厚度与单元尺寸之比有关，减少了m a c 法中示踪粒子的数量，提高 了计算效率”。1 9 9 3 1 9 9 4 年，j h y c h 和w s h w a l l g 等人【9 ，”实现了复杂形状铸件的三维充型流动 的数值模拟，采用了不规则网格离散铸件型腔，使用置一占双方程紊流模型处理了流动中的紊流， 使铸件的充型过程数值模拟进入实用化。 铸件充型过程的数值模拟研究的一个重要的目标是打破以往铸件凝固模拟过程中“瞬间充型， 温度均匀”的假设，为铸件凝固过程的数值模拟提供更为接近真实情况的初始温度场。将充型过程 的流动与传热耦合进行模拟一直得到了相关技术人员的重视。在铸件的充型过程流场的数值模拟实 现之后，流动与传热的耦合才真正开始。1 9 8 4 年，p v d e s 甜“1 研究了强制对流对内浇口温度的影响， 采用涡函数的方法计算了弱对流对温度场的影响。这是铸件充型过程数值模拟中首次将金属液的流 动与传热耦合起来。1 9 8 7 年，王君卿“4 用s o l a v o f 法模拟t 型铸铁三通管充型过程的三维速度 场和温度场，模拟结果与实测结果吻合良好。1 9 8 8 年，h j l i l l 和w s h w a n g u “在二维充型流动模 拟基础上结合热传导方程，实现了二维充型流场与温度场的耦合计算，得到了充型结束时金属液的 温度分布，同年，r a s t o e l l r 【1 4 1 在耦合流场与温度场时考虑了体积收缩，模拟出了冷隔现象。1 9 9 1 年，p j 0 n s s o n 【1 ”在模拟计算圆柱形型腔的充型问题时，将充型过程分为三种情况进行模拟计算，即 层流流动、紊流流动、非牛顿流体三种情况；引入足一s 双方程来模拟紊流流动。1 9 9 3 年x x u e 、 s e h a n s e n 及p n h a n s e n l l “实现了三维充型过程的数值模拟，并用这种模拟技术模拟了两种低压铸 造过程的充型流动，同时用水模拟实验检验了数值模拟结果。 相对而言，国内充型过程数值模拟技术开展较晚，规模也较小。1 9 9 0 年哈尔滨科学技术大学的 吴士平”采用s o l a m a c 法实现了二维充型过程的数值模拟，1 9 9 1 年清华大学的裴清祥【l “采用 s o l a v o f 实现了三维充型流动过程的数值模拟并进行了水模拟验证。之后，沈阳铸造研究所的 卢宏远【l9 j 采用s m a c 准三维技术研究了压铸型内金属液的流动状态。随后的研究逐渐实现了流场与 温度场的耦合计算，华中理工大学的袁浩扬”1 ( 1 9 9 5 年) 和刘瑞祥j 、清华大学的张卫善1 ( 1 9 9 7 年) 、贾良容1 ( 2 0 0 0 年) 和荆涛j 、四川大学的齐慧“”( 2 0 0 2 年) 等人均实现了充型过程耦合 温度场与流场的数值模拟研究。 综上所述，铸件充型流动过程的数值模拟技术始于8 0 年代初，以计算流体力学的理论和方法作 为基础，依靠计算机硬件的快速发展，首先从二维简单形状开始，到目前为止已经实现三位复杂形 状的耦合流场与温度场的数值模拟。模拟对象也由单一的砂型铸造向金属型铸造，压力铸造，熔模 铸造等多元化方向发展。 1 2 2 数值离散方法介绍与比较 铸件充型过程中液态金属的流动是不可压缩流体的非稳态流动。描述该过程的基本数学模型为 连续性方程和动量守恒方程，在耦合温度场的情况下，还应考虑能量守恒方程“。此外，由于铸件 充型过程中金属液的流动是液态金属带有自由表面的流动，因此除上述三种方程外，还应考虑描述 自由表面移动的方程，即体积函数方程9j 。 从上个世纪8 0 年代初充型过程的数值模拟起步，经过2 0 多年的发展，主要经历了四种主要的 算法，分别为s m 伊l e ( s e m i i m p l i c nm e t 1 0 df 研p r e s s u r el i n k e de q u a t i o n ) 算法、m a c ( m a r k e ra n d c e l l ) 方法、s o l a ( s 0 l u t i o n a l g o r i t h m ) 方法和格子气模型( l a n i c e g a sm o d e l ) ： ( 1 ) s i m p l e 方法【2 6 】 s i m p l e 算法是一种经典的算法，该方法由s v 帕坦卡教授提出，在文献 2 6 中做了详尽的阐述。 该方法采用有限差分法进行计算，采用交错网格技术避免将锯齿压力场处理成均匀压力场。该方法 2 第一章绪论 的具体步骤为：( 1 ) 估计压力场p ；( 2 ) 求解动量方程得到试算速度“+ 、v 、w ；( 3 ) 求解压力 修正p 方程；( 4 ) 由估计压力p 和压力修正p 求得压力p ；( 5 ) 利用速度修正公式由试算速度“、 v + 、w 求得速度“、v 、w ：( 6 ) 求解通过源项、流体物性等影响流场的其他一些物理量的离散化 方程：( 7 ) 把经过修正的压力p 处理成一个新的估计压力p ，返回第二步，重复整个过程直到求得 收敛解。s m l e 方法的特点是速度场和压力场同时迭代，而且需要采用欠松弛的方式来保证算法 的收敛，因此计算量较大、收敛速度也较慢。为了提高s m 伊l e 算法的收敛速度，s v 帕坦卡提出 了改进的s i m p l e r 算法。由于在s i m p l e 算法中，在推导压力修正口方程的过程中所引入的近似 导致过于夸大了压力修正，因此采用欠松弛的方法来保证迭代过程的收敛。由于从速度修正公式中 消除了相邻点速度修正的影响，压力修正就完全担负起修正速度的重担，从而导致一个相当强烈的 压力修正场。而在s r m p l e r 算法中，只是用压力修正方程来修正速度，采用其它有效的方法来获 得改进的压力场。s m 伊l e r 算法的主要运算步骤如下：( 1 ) 由一个估计的速度场开始；( 2 ) 计算动 量方程的系数，随后通过代入相邻点速度“。的值计算孬、寻、访；( 3 ) 计算压力方程的系数，求解 压力方程以得到压力场；( 4 ) 把这个压力场当作估计压力p 看待，求解动量方程以得到“、v 、w ： ( 5 ) 计算质量源6 ，随后求解修正压力矽方程；( 6 ) 采用速度修正公式修正速度场，但不修正压力 场；( 7 ) 返回步骤( 2 ) ，并重复上述步骤直到收敛时为止。s m 口l e 算法和s m 伊l e r 算法之间存在 的主要差异是后者在推导压力方程的时候，没有作任何的假设。由于压力修正方程产生合理的速度 场，而压力方程可以算出一个给定速度场的直接结果，这样收敛到最终解的速度会快得多。 ( 2 ) m a c 、s m a c 法口7 1 m a c 法是由e h h a r l o w 和j e w e l c h 提出的，是最早的一种解决不可压缩黏性流体带有自由表 面非稳态流动的方法pj 。该方法采用有限差分对动量方程和连续性方程进行求解，并将连续性方程 作为约束条件与动量方程合并成一个与压力有关的泊松方程，然后在流场中所有的网格上迭代动量 方程与泊松方程，求解压力场和速度场。对于自由表面的变化，则采用随流体流动的示踪粒子。示 踪粒子不参与速度场与压力场的迭代过程，它们在计算出来的速度场上的运动轨迹就表示了自由表 面的变化。示踪粒子的数目应足够多，这样才能较为准确的表示出自由表面的运动和变化情况。但 m a c 法在解动量方程和连续性方程时，因采用速度和压力场同时迭代的方法，计算量非常大，计算 速度很慢，使用也较为不便。为解决该问题，在后来的研究中发展了很多改进的m a c 法”j ，s m a c ( s t 蛐p l m e dm a c ) 法是其中典型的一种。s m a c 法保留了用示踪粒子跟踪自由表面的方法，但对 于计算域内的流体只有速度场的迭代过程，先用当前压力场代入动量方程，求出一个试算的速度场， 然后将试算速度场代入连续方程。如果试算速度场不满足连续方程，则应求出势函数，并用势函数 校正试算压力场。再代入连续方程，直到试算速度场满足连续方程为止。此试算速度场就是该时刻 的速度场，将其代入动量方程，即可求出该时刻的压力场。 在早期的二维流场模拟中，m a c 法得到了较为广泛的应用。在进行三维流场计算时，由于大量 示踪粒子的设置常常导致计算不能进行，因而应用受到限制。 ( 3 ) s o l a v o f 法但8 】 。 该方法用s o l a ( s o l u t i o n a l g o 血h m ) 方法求解动量守恒方程和连续性方程，用v o f ( v o l u m e o f f l u i d ) 方法处理自由表面。在用s o l a 方法解动量方程和连续性方程时，同样先将当前的压力与 速度代入动量守恒方程，求出一个试算速度场，并将试算速度场代入连续性方程中，如果没有满足 连续性方程，则直接通过压力的调整而获得新的试算速度，再代入连续性方程，当试算速度满足连 东南大学硕士学位论文 续性方程时，这时得到的速度场和压力场就是新时刻的速度场和压力场。可见，s o l a 方法只用一 个迭代过程就同时得到了速度场和压力场，因而具有较快的运算速度。采用v o f 方法处理自由表面 时，需定义一个用于描述网格状态的函数。对每一个网格的状态只需用一个量就能描述，相对m a c 方法中用大量示踪粒子跟踪自由表面的方法，占用计算机空间大大减少，因而提高了计算速度。s o l a v 0 f 方法因其收敛速度快，迭代计算量少以及自由表面处理的简捷等优点成为现阶段流场数值模 拟中应用最为广泛的方法。 ( 4 ) 格子气模型口9 】 提出该方法的基本理论为：由许多行为简单的微观个体组成的宏观物理系统具有复杂的物理性 质，大量个体的集合行为可以表现出高度的有序性，即把流体看成由大量的微观粒子组成的，这些 微观粒子在规则或不规则的网格空间按一定的法则相互作用和移动，在宏观上就表现为流体的流动。 格子气模型比传统的解动量守恒方程的方法可快l o o o 倍以上pj ，这是最为吸引人的地方。格子气模 型是一种很有发展空间的计算方法。 1 2 3 自由表面处理方法介绍与比较 在铸件充型过程的数值模拟中，自由表面的处理是重点也是难点所在。如果不能确定自由表面 的位置和形状，就不能确定流体的流动域，因而不能确定连续性方程和动量守恒方程的计算域。自 由表面的处理方法主要有两大类”) u ，”j ：跟踪法( t h c k 抽gm e t l l o d ) 和归零法( c 印t u r i n gm e t l l o d ) 。跟 踪法即拉格朗日法，利用界面上离散点即示踪例子的位置变化来表示金属液的流动状况；归零法不 显式跟踪界面的移动，而是采用一个函数来表示每一个计算网格的状态，进而达到捕获自由表面的 目的。 下面分别以m a c 法和v o f 方法作为跟踪法和归零法的例子进行说明。 ( 1 ) m a c 法 m a c 法在处理自由表面的变化时采用随流体流动的示踪粒子显示，示踪粒子的运动轨迹就表示 自由表面的形状、流动域的范围以及流动方式等。这是最早的处理自由表面的一种方法【) j 。为了减 少示踪粒子的数量以减少计算存储量、提高计算速度，w s h w a n g 【j “对示踪粒子的位置分布做出了 些改进。改进后的方法只在流场的前沿设置示踪粒子，这样既能大量减少对计算机存储量的要求， 同时计算的精度又得以保证。然而这种改进后的表面处理方法，由于在每一个时间步长的计算完成 之后，金属液的流动域发生改变，则流场的前沿位置随之发生改变，需要重新确定示踪粒子的设置 范围，重新设置示踪粒子，因而使用也较为不便。但由于采用示踪粒子模拟出的自由表面不受网格 形状的限制，g t r y g g v a s o n 和s e u n g w o ns h m 【m 】等人采用前沿跟踪法( f r o n tt r a c h n gm e m o d ) 对 带有自由表面的多相流动进行了研究。 ( 2 ) v o f 方法 采用v o f 方法处理自由表面的时候，需要定义一个流体体积函数f ，每个网格采用一个f 值 就可以表示网格所处的状态，相对m a c 法简捷了许多。，的定义如下9 0 4 j ： f ：堕堑! 亟堡堕堡塑 网格的总体积 f 0 ，1 】。当f = o 时，说明该网格是空网格；当f = l 时，说明该网格是满网格；当o _ 芑 蚤 石 旦 兰 图3 1 l 模型二的入口速度随时间变化图 ( a ) h( b ) ( c ) v 一 图3 1 1 为模型三充型时的入口速度随时间的变化图。 图3 一l l ( a ) 中，三个节点速度变化在起始时间段有比较大的不同，节点l 的速度上升最快， 相对而言速度平均值也最大，而节点3 在o 3 5 秒左右甚至出现了向左的速度，这是由于两者所处的 位置有所不同引起的，总体而言整个过程速度处于不停的波动过程中。 图3 1 1 ( b ) 中，可以看出从充型起始时刻开始到o 2 秒左右，在重力作用下快速上升，在 0 2 秒左右达到o 7 0 7 5m s 1 左右。随后流动进入下一个阶段，在该阶段内流速随时间不停的上下 波动，幅度在0 4m s 1 左右。这是由于浇包的形状对金属液的流动有着明显的限制，在流动的过程 中经常出现节点3 上方的液体流空的情况( 见图3 1 2 ) 。当充型进行到4 4 秒左右时，速度明显下 降，说明充型结束。 图3 一1 1 ( c ) 的变化趋势和图3 1 1 ( b ) 基本相同。只是节点3 由于h 明显小于前两个节点因 此总速度。比前两个节点要小。 图3 1 1 ( a ) 、图3 1 1 ( b ) 和图3 1 1 ( c ) 都有一个共同的特点，就是在整个流动充型过程 中，速度总是不停的在上下波动。这样的入口速度是因为浇包的形状对流体流动的限制造成的，此 种浇包形状使流体在充型时易将气体卷入浇道( 见图3 1 2 ) ，不利于充型。 ”坦仙盯呲 ls、e一蚺 ；口c日釜右co；ee” 453o3 m ! ! t 5o 5o 东南大学硕士学位论文 童 e ； 篓 m 鉴 。 鱼 g 兰 奎 e 雪 要 - 芑 鱼 8 兰 富 e 詈 口 莹 苗 c 昙 e e t i m e t ( s ) ( b ) 囤3 1 i 模型三的入口速度随时间变化图 ( a ) u( b ) ( c ) y 一 第三章充型过程流场的数值模拟 图3 一】2 模型三中出现的流空现象 采用形如模型三的浇包充型时，虽然整个过程在入口处不断产生流空现象，但是对于整个充型 过程而言，流体自由表面的形貌和型腔内的速度矢量分布和本章第三节中的模拟结果没有明显的区 别，充型时的速度场分布随时间的变化基本上和图3 7 中所示的速度场没有明显的区别。由于流空 使进入直浇道的流量有所下降，因此充型时间稍长于本章第三节中的模拟结果，为4 4 秒左右。 比较以上三种模型的入口速度随时间变化的曲线图，可以发现这三种模型中模型一和模型二的 漉体入口速度有相似处，即在经历了较短时间的速度上升和调整期之后，流体速度很平稳，在浇包 内没有空气卷入的现象发生，这样的入口速度显然对整个充型的过程是有利的；本节的模型三在充 型时入口速度表现最为不稳定，在充型中伴随着入口处的流空现象，入口速度存在大的明显的波动， 这样的入口速度无疑是对充型不利的。因此，在实际的铸件生产过程中，应尽量避免采用形如模型 三中的浇包形状。 此外，这三种不同浇包的模型在充型过程中流体自由表面随时间的变化以及整个流场分布没有 明显的区别。比较三者的入口速度可以发现，模型三虽然速度波动较大，但是其平均值和模型一以 及模型二的入口速度大小相当。因此，可认为对铸件充型过程的自由表面形貌和速度场分布影响较 大的因素是入口速度，在实际生产中，也就是浇包距离浇口杯的高度，因尽量选择合适的浇包高度。 同时，浇注系统作为铸件生产的一个重要部分，其形状对铸件的质量也有着重要的影响，应尽量采 用有利于平稳充型的浇包形状，如本研究中的模型一和模型二，避免采用不利于平稳充型的浇包形 状，如本研究中的模型三。 3 4 入口速度对金属液充型过程流动状态的影响 根据本章第三节中的图3 9 和图3 1 0 可见孙v v 和。的变化趋势基本一致，都经历了大致 四个阶段的变化，分别称之为快速上升区、调整区、平稳区以及最后的快速下降区。 根据以上模拟结果，在充型过程中的大部分时间内( 1 2 秒一4 2 秒左右) ，入口处流量是恒定不 变的。而在实际的铸造生产中以非漏包的形式进行浇注时，浇口入口处的流速也是近似恒定的，并 且h 很小，因此可以将铸件充型过程中入口处的流动速度简化为y 方向上的速度，用该速度来表示 流体进入型腔的流量。本节将在此简化的基础上讨论入口速度对充型过程整个流动速度、流体的自 由表面形貌以及充型时间的影响。 基于以上简化，重新建立了模拟的模型( 见图3 一1 3 ) 。由于在该计算模型中要施加“湿”边界 条件，即流量边界条件，不允许只有一个节点存在于边界上的元素存在，因此建模时在横浇道与直 浇道和型腔连接处进行了倒角处理。这样的处理不会影响和干扰整个流场，同时使得计算可以顺利 启动并进行。采用“蛆”或“s f e ”命令即可在相应的线或者元素上施加流量边界条件。图3 一1 3 中， 左端直浇道高于右端型腔5 0 m m ，相当于一个浇口杯的高度，其他尺寸均与图3 4 中对应相同。 东南大学硕士学位论文 图3 1 3 简化后的网格模型 以下将针对三种不同的入口速度进行模拟计算。三种入口速度分别为0 7m s 、1 om s - 1 和1 3 m s 一，模拟结果分别见图3 1 4 、图3 一1 5 以及图3 1 6 。 在采用以上3 种不同的入口速度进行金属液模拟充型时，采用1 6 2 3 k 的铁水的物性参数，即密 度为6 5 6 2 5 k g m 。运动黏度为1 1 1 0 6 m 2 s “f ”。模拟中假设相对压力为零，速度边界条件采用固 壁边界条件。自由表面、紊流模型、动量方程的求解数值方法以及结果的输出设置均与本章第三节 中的模拟相同。对于在每个时间步内的迭代次数，由于总网格数大大下降，因此如果在一个时间步 长的计算内，如果前后两次压力迭代计算的值相差小于1 0 一，则中止计算，反之则迭代计算2 0 次。 调用“n d a ，t 曲e ，d r e s ，v a l u e ”和“f l d a ，t i m e ，n u r n b ，l u e ”命令即可实现以上设置。 图3 1 4 为入口速度为0 7 m s - 1 时的充型流动模拟图。从图中可以看出，在充型过程中，由于 在浇口杯处指定入口速度，也就是指定了流量，因此当流体还在直浇道中流动时，由于受到重力加 速度的作用，最下端流体速度快速上升，而上方由于流入直浇道的流体速度有限，因此下方流体与 上方流体脱离，以液滴的形式快速下落，撞击直浇道的底端并铺开。经历了5 次上述过程之后，随 着浇口上方的流体不断流入，流体充满直浇道转入横浇道并进入型腔、撞击型腔右侧壁面并向上弹 起，弹起高度约为整个型腔高度的1 ，3 ( 见图3 1 4 c ) ，然后左转下降，撞击到入流的液面，形成漩 涡，之后流体撞击到左侧型壁，向上弹起。在随后的时间内，可以看到型腔内的液面有轻微的左右 晃动的情况出现，随着充型的进行，型腔内流体的流动逐渐平稳，直至充型结束。整个充型时间约 为3 8 秒。整个模型网格数为2 7 8 4 个，计算时间约为2 5 h 。 图3 1 5 为入口速度为1 0 m - s 1 时的充型流动模拟图。图中由于入口速度较图3 1 0 的入口速 度大，因此在充型的初期流体在直浇道中流动时发生的下端流体与上端流体分离的情况次数较少， 仅有2 次。随着流动的进行，流体同样撞击型腔右侧壁面并向上弹起，弹起的高度明显高于入口速 度为o 7m s 1 的图3 1 4 c ，约为整个型腔高度的l 2 ( 见图3 一1 5 d ) 。随后流体向左回落，撞击到入 流的液面。值得注意的是，撞击到入流的液面之后，由于b 较小而b 较大，因此流体向上弹起的趋 势较大，这和图3 1 4 中的充型情况有较为明显的区别。同时由图3 一1 5 9 可见流体第二次向上弹起 的高度较第一次弹起的高度小，随后流体很快的散开并回落，形成涡旋( 见图3 1 5 h ) ，并保持向 左的速度撞击到左边的型腔壁面，向上弹起( 图3 1 5 i ) 。在随后的充型过程中，液面上方一直存在 凹陷，并且该凹陷随着充型的进行左右移动，直至充型结束，整个充型时间约为2 6 4 秒，计算时间 约为2 ，o h 。 图3 1 6 为入口速度为1 3m s 1 时的充型流动模拟图。由于大的入口速度，流体在直浇道中流 动时没有出现液体分离的情况。流体撞击到右侧型壁时向上弹起的高度明显高于图3 1 4 和3 1 5 ， 几乎达到了整个型腔高度的4 5 ( 见图3 一1 6 d ) ，之后回落、反弹。比较图3 1 5 9 和图3 1 6 9 可见 入口速度为1 3m s _ 1 时的图3 1 6 9 反弹的高度明显高于入口速度为1 om s - 1 时的图3 1 5 9 。随后 流体由于与左侧型壁的撞击作用和重力作用，产生向右和向下的速度( 见图3 1 6 h ) ，之后流体由 第三章充型过程流场的数值模拟 于向右运动的速度较大，