基于反向热传导方法的热加工过程中界面传热特性及传热机理的研究

The heat transfer parameters in the boundary layer are the important boundary parameters in the numerical simulation of hot working process, they have significant effects on the calculation precision of temperature, stress/strain, phase-transformation and mechanical performance. The heat transfer characteristics and mechanism of boundary layer between the billet (or part) and die (or cooling agent) will be studied using the inverse heat conduction method. The coupled analysis methods of multi-physical fields, boundary heat transfer coefficient and thermal-physical parameters, temperature field and fluid field will be researched by the experimental testing, numerical simulation and theoretical analysis methods. The inverse heat conduction problem in the hot working process will be solved by the finite element method and optimization method. The software of inverse heat conduction problem will be developed for the heat transfer of solid-gas, solid-liquid and solid-solid boundary layer. The heat transfer mechanism of boundary layer and the effect of technological parameters on the heat transfer characteristic of solid-gas, solid-liquid and solid-solid boundary layer will be studied. The research results can be used to provide the accurate data for the numerical simulation of forging, extruding, rolling, hot stamping, quenching and other hot working process, and supply some theoretical guides to the design of hot working process.

界面传热参数是热加工工艺数值模拟过程中最关键的边界参数之一，其准确程度直接影响热加工零件的温度场、应力/应变场、组织场、力学性能等方面的求解精度。课题组拟针对热加工过程中坯料（或零件）与模具（或介质）之间的界面传热特性及界面传热机理，将实验测试、数值模拟及理论分析方法相结合，研究反向热传导过程中多物理场耦合求解技术、界面换热系数与材料热物性参数的耦合求解技术、流场与温度场的耦合求解技术等；利用有限元和最优化等方法解决热加工过程中反向热传导问题，开发适用于热加工过程中“固体-气体”、“固体-液体”和“固体-固体”界面传热过程的反向热传导求解程序；研究工艺参数对“固体-气体”、“固体-液体”和“固体-固体”界面传热特性的影响规律及其界面传热机理。研究成果可为锻造、挤压、轧制、热冲压、淬火等热加工过程的数值模拟提供可靠的数据，也可为热加工工艺的制订提供相应的理论依据。

界面传热参数和材料热物性参数是热加工工艺数值模拟最关键的输入数据，其准确程度直接影响各物理场量的求解精度。针对热加工零件与冷却介质之间的界面传热特性，通过实验测试、数值模拟及理论分析方法相结合，研究了逆向热传导过程中多物理场耦合求解技术、界面换热系数与材料热物性参数的耦合求解技术、流场与温度场的耦合求解技术等。利用改进的进退法、仿生算法等方法解决了热加工过程的逆向热传导问题，并开发了逆向热传导求解软件。研究结果表明：利用自适应时间步长方法，对温度、相变等物理场量进行耦合分析可以改善温度场和组织场的计算精度。仿生算法与有限元方法相结合，可根据冷却曲线求解得到合理的界面换热系数，若再与正态分布方法相结合，可以大幅度改善求解过程的收敛性。粒子群算法、正态分布算法和有限元方法相结合，可实现界面换热系数和材料热物性参数的多宗量求解，而且具有较高的求解精度，求解过程的收敛性也较好。对于“气体-固体”界面，直径为10 mm试样可较好地符合一维传热的特性，利用SST k-ω湍流模型计算得到的冷却曲线及界面换热系数与实验数据吻合得较好。对于“固体-气雾”界面，在冷却过程中，试样冷却表面存在干区和湿区；干区的换热形式主要是辐射，湿区的换热形式主要是对流；喷雾高度及喷嘴种类均对试样与冷却介质之间的换热特性有较明显影响。对于“固体-液体”界面，当试样表面初始温度大于700℃时，在冷却水与试样界面上可形成稳定的汽膜，产生的蒸汽以波的形式从试样底部传递到试样顶部，最后脱离试样表面；随着试样初始温度的升高，膜态沸腾持续时间显著增加，汽膜厚度从700℃时的3.17 mm增加到1000℃时的3.60 mm；具有一定压力的水可导致试样表面的蒸汽膜破裂，增大试样表面在高温时的界面换热系数。构建的界面传热特性数据库可为热加工工艺的数值模拟提供可靠的数据，也可为热加工工艺的制订提供相应的理论依据。