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【解析事例: 流体】 焼入れ解析

焼入れ解析

1.背景と目的

焼入れとは、高温に加熱した金属を急激に冷却して硬化させるプロセスです。

冷却媒体としては、水や油が使われます。高温金属の表面では高温に触れた液体が激しく沸騰します。この蒸気発生が著しい場合は、高温金属表面が熱伝達率の小さい蒸気膜で覆われる膜沸騰状態となり、冷却が妨げられるために硬化が不十分となります。

また、この効果が金属表面上で偏って発生すると強度にムラが生じます。

このムラの発生では、金属表面における以下の3つの量が互いに影響しあうため、これらを一体的に解くシミュレーションが求められています。

(1)温度分布
(2)蒸気発生量分布
(3)気相/液相それぞれの流速分布

2.解析の概要

本解析では、水(液体)の一様流中に高温金属(任意の熱物性)を設置した系における温度分布、水蒸気量(ボイド率)分布、気液それぞれの流速分布を求めました。

解析で用いたAdvance/FrontFlow/MP二流体モデルに基づく混相流解析ソフトです。本解析では、MPに実装されている沸騰モデル、熱連成解析機能を使用しています。


図1.温度分布
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温度分布の時間変化アニメーション(単位[℃])。 時間の経過と共に冷媒供給の下流側(画面上部)において 高温領域(100℃以上)が広く形成されていることがわかります。 これは、沸騰後の蒸気が下流部に集中していることに起因します。


図2.水蒸気量(ボイド率)分布
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ボイド率(気体の体積分率)の分布の時間変化アニメーション。 時間の経過と共に冷媒供給の上流側(画面下部)のみならず、 下流側(画面上部)においても蒸気量の多い領域が形成されることがわかります。


図3.気相の流速分布
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気相の流速分布の時間変化アニメーション。 初期状態では蒸気が存在しないために流速はゼロですが、 時間の経過と共に金属側面に沿って流れ場が形成され、 最終的には冷媒供給の下流側(画面上部)の中心軸上に集中して 速い流れ場が形成されることがわかります。 最終的な流速分布については液相においても同様の分布が見られます。


図4.液相の流速分布
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液相の流速分布の時間変化アニメーション(等高線も併せて表示しています)。 初期状態では一様流速分布ですが、 時間の経過と共に金属側面に沿って流れ場が形成され、 最終的には冷媒供給の下流側(画面上部)の中心軸上に集中して 速い流れ場が形成されることがわかります。 最終的な流速分布については気相においても同様の分布が見られます。


3.考察、今後の課題

結果より、冷媒供給の上流側(アニメーション画面の下部)のみならず、下流側においても水蒸気量が多いことが分かりました。

この結果は、金属の温度や熱物性に対する冷媒供給量(流入速度)や冷媒温度(供給時)によって変化するため、それぞれのケースに応じた最適な冷媒条件を設定することによって、ムラの発生を抑制することができます。

4.詳細資料のご希望は

このベンチマーク結果に関する詳細な情報をご希望の方は、以下の問い合わせ窓口より、「焼入れ詳細資料希望」と記載の上、お問い合わせください。

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