一、引言
在热流道行业中, 整体式热流道系统铸铝式热喷嘴占有很大比重, 其质量好坏直接影响热喷嘴的热平衡, 借助ANSYS workbench可对热喷嘴的热场分布、发热功率、设计缺陷等问题进行预测, 达到提高喷嘴质量的目的, 但其分析准确性与两个关键参数有关:传热系数h和辐射率ε。通过查阅相关文献发现, 专门针对热流道行业的换热系数研究比较少[1], 迄今为止, 直接对换热系数的测量还存在较大困难, 因此, 采用合理的计算方法和测试技术找出这两个关键参数很有必要。本文通过分析热喷嘴的工作换热环境, 建立实验模型, 介绍如何利用“反求法”、0.618黄金分割法和最小二乘法反推出换热系数。
二、建立实验模型
(一) 建立实体模型
热喷嘴的结构图与其在模具中的装配简图如图1所示, 热喷嘴的主要传热方式[2]有三种:热传导、热对流、热辐射。热量从分流板和铸铝式发热圈传递到热喷嘴和模具上的热属于热传导;热空气流体在装配间隙和模具表面上流过为热对流;热量辐射到空气中为热辐射。热传导系数与材料属性有关, 随着温度的升高而增加, 热对流系数和热辐射系数的影响因素较多, 形状和材料因素是本模型中最主要影响因素, 模型中主要有两种换热面形状:热喷嘴的圆形面和模具的矩形面, 材料有S136和FDAC。
1.油缸2.分流板3.A模板4.B模板5.热喷嘴6.塑件
根据形状的不同, 将该实验进行抽象, 转变为对两种换热面换热系数的测量, 实验一模拟圆形面散热, 实验二模拟矩形面散热, 两者实验原理相同, 在实验的加热开始端, 设置一个控温点, 用于模拟实际热喷嘴的工作温度, 在控温点的线性方向, 等距的钻取用于插入热电偶的孔洞, 最后得到若干个不同控温条件下的温度-点位曲线图。
(二) 建立有限元模型
根据建立起来的实体模型, 在ANSYS workbench中建立有限元模型, 为提高分析速率, 采用稳态分析方法程[3]其相应的有限元平衡方程为:
分析过程中, 将材料的物性参数输入至ANSYS中[4], 环境温度设定29.5℃, 给模型设定表面对流属性和辐射属性, 模拟实际换热情况, 最后求解得到分析结果。在此过程中, 通过改变热对流系数h和热辐射系数ε, 最后与实测温度拟合。拟合过程的数据处理是本实验的关键步骤。
三、换热系数确定流程
通过分析发现, 传热系数h和辐射率ε的改变影响曲线的拟合情况, 但实际情况中, 其他因素不变的情况下, 只能对应一组系数, 所以, 采用0.618黄金分割法[5]和Lagrange插值法反推出对应控温条件下的换热系数。0.618法是最经典的一维直接搜索方法, 表达式为:H= (Hmax-Hmin) ×.0618+Hmin
模拟要确定的系数有两个, 一个传热系数h, 一个辐射率ε, 必须先定一个系数, 才能定量的确定另外一个系数, 通过查阅相关文献后, 空气传热系数h在稳定对流下范围在0-1之间, S136的辐射率ε在40℃下为0.07-0.17, 先在此范围附近确定辐射率, 分析出辐射率判断[6]:
(1) 当, 此刻的传热系数h正确, 保存h值并将h作为下个时刻的界面传热系数的最大值;
(2) 当, 此h小于实际的传热系数h, 将h作为Hmin, 再用公式求解h, 重新进行模拟, 直至模拟值T和实验值T的误差绝对值在允许误差范围内;
(3) 当, 说明此时h大于实际的传热系数h, 将h作为Hmax, 再用公式求解h, 重新进行模拟, 直至模拟值T和实验值T的误差绝对值在允许误差范围内, 才可以进行下一时刻的界面传热系数的搜索。
在此过程中, 用已经确定好的h值, 验证辐射率ε的值是否符合要求。通过以上判断后, 误差均在5%内的模拟曲线。6个控温点最后得到6个h值, 将h与温度的关系用Lagrange插值法建立起数学模型如公式[7]:
式中, h为传热系数;T为温度℃;, a为实数, 可用Lagrange插值法求解得出, 通过多次迭代运算得出, 当n=4时, 多项式公式与曲线拟合度较高。用此法求出其他系数, 在应用该公式求解参数时, 必须保证在100～300℃温度范围内选取, 因为Lagrange插值法求解的公式在该范围外出现偏差。
四、换热系数的验证
以上系数确定过程, 找出了整体式热流道系统铸铝式热喷嘴模拟分析所需的两个关键参数:传热系数h和辐射率ε, 将铸铝式热喷嘴放置图2 (a) 的实验模型中, 并在ANSYS workbench中建立如图3 (b) 模型。
(a) 实际模型 (b) 有限元模型 (c) 实验平台
输入相应的控温点温度时的h、ε值, 根据实际情况的3个控温点要求模拟分析, 得到的结果与实际结果的温度拟合曲线对比发现, 模拟结果与实测结果的曲线拟合能够在误差范围内拟合, 说明通过0.618黄金分割法和Lagrange插值法反推出的传热系数和辐射率ε的合理性。
五、结束语
通过模拟整体式热流道系统铸铝式热喷嘴的装配环境, 建立出用于测试热喷嘴换热系数的实验模型, 在“反求法”求解过程中运用0.618黄金分割法和Lagrange插值法确定系数, 最后应用于热喷嘴的模拟热分析中得到验证, 为后续研究者提供了一个可参考的依据, 实际生产证明, 此方法确定的热分析系数在准确性高, 可指导工程师对优化热喷嘴的工艺设计。
摘要：整体式热流道系统铸铝式热喷嘴ANSYS workbench热分析主要依赖于:传热系数h和辐射率ε, 正确的换热系数是热模拟准确的关键。针对热喷嘴的实际工作环境, 建立实验模型并在实验模型基础上设计出两个用于测量换热系数的简化模型, 通过“反求法”、0.618黄金分割法及Lagrange插值法, 验证实验模型, 拟合实际及热模拟温度曲线确定系数。该实验方法为后续研究者确定热喷嘴换热系数提供了一个可参考依据。
关键词：热流道,热喷嘴,换热系数
参考文献
[1] 张朝阁.热流道塑料模具技术的研究与发展前景[J].塑料工业, 2013 (7) :5-9.
[2] 汪薇, 赵宁, 任风胜.模具的热流道技术[J].科技创新与应用, 2013 (35) :33-34..
[3] 辛文彤, 李智尊, 胡仁喜. ANSYS13.0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社, 2011.
[4] 张国智, 胡仁喜, 陈继刚. ANSYS10.0热力学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[5] 武照云, 李娟, 刘楠嶓, 王小让.黄金分割法流程可视化软件研究与开发[J].电脑开发与应用, 2013 (02) :6-8+12.
[6] 葛宁国.热传导方程反问题的理论及算法研究[D].西安:西安理工大学, 2011.
[7] Liping Chen, Yingxin Wang, Liming Peng, Penghuai Fu, Haiyan Jiang. Study on the interfacial heat transfer coefficient between AZ91D magnesium alloy and silica sand[J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2013, 43 (12) :23-25.