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    蒸汽膜内气体的流动规律

    张克俭

    北京华立精细化工公司 (102200)

    发表于?#24230;?#22788;理技术与装备2008年第45期


    摘要为解释试验中出现的几个现象研究了淬火冷却过程中蒸汽膜内气体的流动规律结果发现蒸汽膜内气体的流动情况因蒸汽膜所处表面的朝向不同而各不相同确定了五类基?#22659;?#21521;研究推测了这些基?#22659;?#21521;的蒸汽膜内气体流动规律从工件上形成了蒸汽膜开始到最后一片蒸汽膜消失为止这些规律一直在试样不同朝向表面之间和各个表面之内形成并且不断增加着温度差异这项规律与先前提出的四阶段理论是相互独立的它们可能是引起工件超差淬火变形的重要原因

    关键词淬火冷却液态淬火介质精细淬火冷却技术协同学耗散结构自组织现象淬火变形

    The Law of the Flow of Gas inside the Vapor Blanket

    ZhANG ke-jian

    Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

    Abstract:In order to explain the several phenomena occurred in the experiment, a study is made to find out the law of the flow of gas inside the vapor blanket during quench cooling. The study showed that the flow of gas inside a vapor blanket varied with the facing direction of the surface where the vapor blanket is located on. Five basic directions are identified and the laws of the flow of gas inside vapor blanket that face these basic directions are inferred through study. From the formation of the vapor blanket on the work piece to the disappearance of the last vapor blanket, the law acts in the areas that the vapor blankets cover. The act of the law has not only continuously produced and increased the thickness-irrelevant temperature difference inside the surface with the same facing direction, but also brought about an unknown temperature difference among the surfaces facing different directions. The law is independent with the four-stage differentiation theory which was put forward previously. The law and the theory act together, which is probably the main reason for the quenching distortion of work pieces.

    Key words:quench cooling, liquid quenching medium, precision quench cooling technique, Synergetics, dissipative structure, self-organization, quenching distortion

    本文是四阶段理论文章的第8篇之前的试验研究中看到不少难以解释清楚的现象经过一段时间的观测思考后从蒸汽膜内气体流动情况入手?#19994;?#20102;这些现象的产生原因并初步揭示了蒸汽膜内气体流动的定性规律

    一 问题的提出

    从研究爆炸声响的产生原因[1]起陆续看到如下几个难以解释清楚的现象

    现象之一 在表面出现超前扩展点后 球体其它部分的蒸汽膜能够长期存在

    图1 ?#26412;?0mm球体上交界线扩展花费了20多秒的时间
    图1 ?#26412;?0mm球体上交界线扩展花费了20多秒的时间
    Fig.1 It takes about 20-odd seconds for the spread of the demarcation line on a spherical test piece with a diameter of 60mm.

    如图1所示一个?#26412;?0mm的球体试样在基础油中冷却到31秒即图1中标注的0秒出现超前扩展点之后花费了20多秒的时间交界线才完成了它在整个球体表面的扩展过程即便是最后一块蒸汽膜区在它消失时所处表面仍然要先发生短暂的沸腾而后再进入对流冷却阶段这说明在出现超前扩展点后又经过20多秒该处仍然具有超过Tb的温度我们不禁要问作为具有相同等效厚度的球体表面在一部分冷却到对流阶?#25105;?#21518;其它部分哪来那么多的热量去维持蒸汽膜的长期存在

    现象之二 在试样表面存在完整蒸汽膜的时期当试样不很大时气泡只从试样的顶端包括顶平面和其它形式的顶部或者大部分从顶部排出如图2和图3所示在不完整蒸汽膜时期气泡大多从蒸汽膜的最上端部位排出如图4所示

    现象之三 当试样表面足够高或者试样的表面被倾斜放置时冷却过程中从蒸汽膜区的中部以上常有气泡冒出如图5和图6所示

    图2 在蒸汽膜保持完整时期圆头试棒上气泡只从最高部位排出 图3 在小头向下的台?#36164;?#26679;上多数的气泡从顶部平面上排出

    图2 在蒸汽膜保持完整时期圆头试棒上气泡只从最高部位排出
    Fig.2 During the period when the vapor blanket is intact, gas bubbles escape only from the top of the round head test bar

    图3 在小头向下的台?#36164;?#26679;上多数的气泡从顶部平面上排出
    Fig.3 Most gas bubbles escape from the top flat surface of the stepped test piece the smaller end of which faces downwards
    图4 非蒸汽膜区下方的蒸汽膜边缘呈波浪形只在?#24605;?#37096;位有气泡排出 图5 在完整蒸汽膜期试样的中上部分有气泡排出

    图4 非蒸汽膜区下方的蒸汽膜边缘呈波浪形只在?#24605;?#37096;位有气泡排出
    Fig.4 The edge of the vapor blanket beneath the non-vapor-blanket area takes the shape of a wave and gas bubbles escape only from the peaks of the wave

    图5 在完整蒸汽膜期试样的中上部分有气泡排出
    Fig.5 During the period when the vapor blanket is intact, gas bubbles escape from the middle and upper parts of the test piece
    图6 在完整蒸汽膜期板状试样中部以上有气泡排出 图7 残留在试样水平底面下方的大气泡

    图6 在完整蒸汽膜期板状试样中部以上有气泡排出
    Fig.6 During the period when the vapor blanket is intact, gas bubbles escape from the part above the middle of the board-shaped test piece

    图7 残留在试样水平底面下方的大气泡
    Fig.7 Large gas bubble that remain beneath the horizontal bottom surface of the test piece

    现象之四 在蒸汽膜的中上段部位有时能看?#25509;行?#25490;列的斑马状条纹如图5所示

    现象之五 冷却中在底平面与其上部侧面之间的蒸汽膜破裂之后位于底部的水平表面上常能见到飘移不定的大气泡这种气泡可能存在到整个试样都进入对流冷却的初期如图7所示这类气泡是如何产生的这些气泡的活动规律及其对所处部位冷却进程的影响

    现象之六 在球体试样的试验中看到超前扩展点的出现位置有相当的随机性[1]但是在其它形状的试样上超前扩展点多出现在试样下端的棱边上是不是非球体试样上超前扩展点的出现部位就没有随机性

    现象之七 在垂?#21271;?#38754;上出现超前扩展点后交界线向上扩展的速度比向下的要快从图1中就能看出这一差异这是为什么

    从事研究工作中的人应当能解释试验中看到的所有现象如果你遇到无法解释的现象那就是你获得了机会学习或者发现的机会这?#27490;?#24565;把上述现象变成一组疑问激励我们通过学习和研究去做出解答后来发现从研究蒸汽膜内的气体流动规律入手可以解答这些疑问于是就对蒸汽膜内气体对流的规律做了一些研究下面介绍这方面的研究所得并在其中说明前述现象的产生原因

    二 气体流动的驱动力与分析问题的思路

    本文所指的气体指的是蒸汽膜内的介质蒸汽所指的流动指的是热传递的三种基本方式之一的自然对流

    引起蒸汽膜内气体对流流动的主要原因有两个一个是不同部位气体的温度差而产生的密度差ѣ第二个是地心引力可用重力加速度g表示引起对流的驱动力F则与g成正比重力加速度有确定的方向因此蒸汽膜所处表面的朝向对是否能发生对流以及对流速度的大小就有决定性的影响

    浸在液态介质中冷却的工件都有它确定的放置方式放置方式确定之后工件上不同表面的朝向就都确定了下?#30784;?#24037;件的形状尽管千差万别但?#25512;?#30456;对于重力加速度的关系而言却可以把工件上所有表面的朝向分成五种基本类型它们是

    垂?#21271;?#38754;

    图8 五种基?#22659;?#21521;表面
    图8 五种基?#22659;?#21521;表面

    倾斜向上表面

    倾斜向下表面

    水平向上表面

    水平向下表面

    图8是这五种基?#22659;?#21521;表面的示意图在淬火冷却中的工件上我们很容易?#19994;?#23427;的不同表面所属的基本类型?#28909;?#29992;垂直方式淬火的圆柱形工件上只存在三种朝向的表面圆柱的侧面属于垂?#21271;?#38754;上部端面属于水平向上表面底部端面属于水平向下表面如图9a所示又如球体试样不管如何放置它上面都只有两种基?#22659;?#21521;的表面不同倾斜程度的倾斜向上表面和倾斜向下表面如图9b所示

    淬火冷却的工件上不同的表面各有确定的位向工件上任何一部分表面都可以按其朝向?#19994;?#33258;己所属的基本类型因此研究出基?#22659;?#21521;蒸汽膜内的气体流动规律就能用来分析和解决一般工件冷却中的相关问题

    图9 垂直圆柱a和球体b工件上的表面朝向类型
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    图9 垂直圆柱a和球体b工件上的表面朝向类型

    为了开展本研究我们首先做了以下两个推测

    第一气体的流动首先在蒸汽膜内进行因为那是阻力最小的路径

    第二蒸汽膜内产生的蒸汽除用于维持蒸汽膜一定厚度所需部分外多余部分沿挨近表面的通道层流层向上流动最后在工件顶部附近以形成气泡形式进入液相介质中

    需要说明的是此处的层流指的上一直向上流动而不绕道返回的气体流动方式并不是流体力学中?#32454;?#24847;义上的层流

     

     

     

    三 垂?#21271;?#38754;上蒸汽膜内气体的流动规律

    图10 垂?#21271;?#38754;的蒸汽膜内气体的分层流动情况
    图10 垂?#21271;?#38754;的蒸汽膜内气体的分层流动情况
    Fig.10 The laminar flow of the gas inside the vapor blanket that covers a vertical surface

    冷却过程中在蒸汽膜内气体的温度分布特点是离试样表面越近蒸汽的温度越高在蒸汽膜的外侧也就是靠近液态介质的一端由于气体温度仍然比相邻液体的高液态介质对这部分气体仍然有冷却作用根据热胀冷缩的道理挨近试样表面的气体比更远处的气体要轻因试样表面垂直放置在?#29420;?#34920;面的高密度气体的压迫下挨近表面的气体受到一个向上的浮力F在这种浮力的作用下离试样表面近的气体会向上流动这就在蒸汽膜内靠近试样表面部?#20013;?#25104;热气体向上流动的层流层同时根据后面将要谈到的道理把垂直蒸汽膜内层流层之外的部分称为对流层层流层和对流层之间并不存在明确的分界线如图10所示

    3.1 高度方向的热?#30475;?#36882;

    在挨近气?#33322;?#38754;的部位也就是对流层的最外侧被冷却下来的气体有向下流动的倾向图8中向上和向下的箭头?#30452;?#34920;示蒸汽膜内不同部位气体受到的促进其流动的驱动力的方向短小箭头表示向下的驱动力小连贯的长箭头表示向上的驱动力大由于蒸汽膜的厚度超不过0.3mm[2],和蒸汽膜的厚度相比试样在垂直方向上的高度通常都非常之大由于所接触的液体的温度都在Tb附近同一垂?#21271;?#38754;上下两端的蒸汽膜内短箭头所在部位的气体温度差不会很大可以断定蒸汽膜内的冷热气体之间不可能发生图8中短箭头所示方向的长距离的对流然而对流层左右两侧受力的方向相反却是可能形成对流的条件本文推测对流层中的对流只在高度方向上相当短的?#27573;?#20869;分区段进行根据这些情况对流层内的气体流动路线一定比?#32454;?#26434;这一复杂的问题将在第四部分做单独介绍

    在蒸汽膜内靠近试样表面的部分向上流失的那部分气体是?#20204;?#27573;中温度最高的气体这部分气体上升后所留下的空?#20445;?#38752;下面和外侧面的气体来补充与此同时通过试样表面向外散热从气?#33322;?#38754;上又会产生新的介质蒸汽其结果?#20204;?#27573;的蒸汽膜厚度仍然能与当时的试样表面温度相匹配因此可以把流失的热气体看成是各区段内多余的气体

    图11 在高度方向上的热?#30475;?#36882;图
    图11 在高度方向上的热?#30475;?#36882;图
    Fig.11 Heat transference in the vertical direction

    现在分析热气体上升过程中的热?#30475;?#36882;问题按从下到上的方向在某部分蒸汽膜上划出三个具有单位高度并且横向具有单位宽度的蒸汽膜区段如图11所示 设单位时间内通过热气体的向上流动第1区段把热量q1带到了第2区段与此同时第2区段又以相同的方式向更高位置的第3区段输入了热量q2分析不同大小的球体和多种其它形状试样上的蒸汽膜冷却过程后本文推测在任一单位时间段内在上下相邻的三个区段之间应当成立以下关系

    q1 R q2 ( 1 )

    也就是qq1q2R0这一关系可以用反证法加以证明如果q < 0气体往上流动的结果必然是使蒸汽膜内上方的气体温度低于下方如果这样层流层中热气体的向上流动必然会自动停止下?#30784;?#20107;实上气体能始?#32960;?#19978;流动因此式1成立应当说式1是维持热气流上升?#30805;?#30340;条件推而广之式1所确定的关系对蒸汽膜上任何部位和冷却的任何时间段都是适用的按照这一规律在热气上升路途中从下到上蒸汽膜内气体的平均温度总是不断升高的在试样表面温度相同的条件下蒸汽膜内气体的温度越高试样表面通过热传导和对流方式向外侧蒸汽散失的热量就越少仅从这一因素看同样是蒸汽膜笼罩下的冷却方式上方的表面应?#21271;?#19979;方的表面冷却得慢第二个能产生同样效果的因素是由于液态介质的受热对流在蒸汽膜之外的液态介质中上方的液态介质的温度也比下方的要高因此在蒸汽膜之外的液态介质中上方的温度梯度?#19981;?#27604;下方的小这?#19981;?#20351;试样的上方表面比下方表面冷却得慢第三个因素是在上方的蒸汽膜区段因为气液两方的温度更高其气?#33322;?#38754;的表面张力就比下方的要小于是即便在试样表面温度相等时上方的蒸汽膜也更厚这又是一个减小上方冷却速度的因素 这些因素都会减慢冷却过程中试样上方表面向外散热的热流密度

    现在的情形是按传统的?#34892;?#21402;度观念本来应当?#19978;?#26041;蒸汽膜自己向周围液态介质散失的一部分热量通过热气体逐级的向上流动被推给了上方的蒸汽膜去完成而蒸汽膜的散热速度却又是越往上越慢这就是上方蒸汽膜能够长期存在的主要原因

    到此可以得出一个重要的结论冷却过程中在垂?#21271;?#38754;的蒸汽膜内由于层流层中的热气体流动等原因会在工件垂?#21271;?#38754;的上下方之间形成上部比下部温度更高这样的温度差蒸汽膜存在的时间越长这种温度差就会越大

    3.2 层流层中的流速变化气体拥堵及其解决办法

    再来讨论蒸汽膜内气体向上流动的速度大小问题由于层流层中热气体向上流动的速度是不均匀的离试样表面越近流速必然越快由于本文之讨论蒸汽膜内气体流动的定性规律这里所说的流速看成是平均流速或者定性意义上的流速热气体向上?#30805;?#30340;驱动力与该部分热气体同周围冷气体的密度差成正比当所处的表面垂直向上时这一向上的驱动力将全部用在克服阻力并使该部分气体向上?#30805;?#19978;当驱动力大于该部分气体上升?#30805;?#30340;阻力时这部分气体就能向上流动从图9中第1区段上升到第2区段的气体在流经第2区段的过程中由于挨近温度更高的试样表面会继续被加热而使其温度进一步升高温度进一步升高引起气体进一步的热膨胀其结果进入第2区段的那部分气体又将获得新的驱动力而继续向上流动如此发展下去直到垂?#21271;?#38754;的顶部这就是说层流层中越往上热气体的流速应当越快或者说层流层中位于上方的热气体的向上流动速度高于下方的热气体的向上流动速度这一特点可以表?#22659;?#24335;2式2同样可以用反证法加以证明如果V上 < V下层流层中的气体流动很快就会停止下?#30784;?#20107;实上蒸汽膜中的热气体一直在往上流的并且最终以形成气泡的方式从试样顶部溢出因此式2成立

    V上 R V下 2

    因为上部气体流动更快上部蒸汽膜厚度即便相同也能向上输送更多的热气体但是在垂?#21271;?#38754;上蒸汽膜区段所处的位置越高需要从?#20204;?#27573;通过的热气体的量就越大这又产生了蒸汽膜内的层流层输送热气体能力的极限问题在四阶段理论一文中已经指出任何确定的表面温度都只能支撑起一定的蒸汽膜厚度[1]可以推知当垂直向上所走过的路程L超过一定值Lc之后蒸汽膜内就必然发生热气体拥堵难以从蒸汽膜内向上流动的一部分气体就可能选择推动气?#33322;?#38754;以形成独立气泡的形式再从液态介质中向上?#30805;?#36825;样在超过高度Lc的垂?#21271;?#38754;上就不时有气泡冒出这样的分流方式可以解决热气体的拥堵问题未发生气体拥堵的蒸汽膜区的表面?#32536;交?#32780;光亮而发生了气体拥堵的蒸汽膜区的表面则似有波涛汹涌如图3和5所示

    输送到垂?#21271;?#38754;顶端的热气体的出路是; 当试样为尖顶时热气体从尖顶附近以气泡形式进入液态介质中当顶端还有其它形式的表面蒸汽膜时热气体将先进入该蒸汽膜内再求出路

    图12 下方蒸汽膜中的热气流绕过小片非蒸汽膜区向上前进
    图12 下方蒸汽膜中的热气流绕过小片非蒸汽膜区向上前进
    Fig.12 Heat transference in the vertical direction

     

     

     

    如果垂?#21271;?#38754;的蒸汽膜上出现了超前扩展点并形成了不太大的孤立的非蒸汽膜区从下方输送上来的热气体将在蒸汽膜内绕过上方的非蒸汽膜区再继续向上流动如图12中带箭头的流线所示

    图13 在下方蒸汽膜区的边缘形成的波浪形
    图13 在下方蒸汽膜区的边缘形成的波浪形
    Fig.13 The upper edge of the lower vapor-blanket area takes the shape of a wave

     

     

     

    如果上方完全是非蒸汽膜区热气体无法绕道上升时拥堵的热气体又将如?#38395;?#25918;遇到这种情况蒸汽膜区的上部边缘会形成波浪形气泡从其?#24605;?#22788;排出如图13所示此示意图参照图4的照片画出照片中交界线以下部分的蒸汽膜区?#32536;交?#32780;光亮这说明下方蒸汽膜内的热气体还没有发生拥堵

    现在来解答现象七的产生原因位于非蒸汽膜区上方的交界线处于垂直蒸汽膜区的最下端而位于非蒸汽膜区下方的交界线却处于下方蒸汽膜区的最顶端在前面讨论中已经指出前者冷却得快有利于快速进入沸腾冷却阶段相反后者得到从下方不断输送上来的格外的热量所以交界线扩展得慢

    四 蒸汽膜内气体流动中的自组织现象

    开展这项研究目的有三个1. 说明前述斑马纹?#21450;?#30340;产生原因2. 研究本文所述对流层内的气体流动规律3. 最终说明在厚度远小于1mm的蒸汽膜内划分出层流层和对流层的推断与?#23548;是?#20917;是相符的

    考虑到热处理领域还没有见到过这方面的报导本文先对自组织现象做一个简单的介绍

    4.1 自组织现象简介[3-7]

    自组织现象指的是自然界中自发形成的稳定的宏观?#34892;?#29616;象天空中排成斑马纹的云俗称?#24179;?#28608;光器中的自激振?#30784;?#20197;及生命现象都属于自组织现象因为自组织现象发生在?#29420;?#24179;衡态的开放系统中通常无法用热力学的理论来加以解释因此从20世纪60年代末起先后产生了好几个研究自组织现象的学科?#28909;?#32791;散结构理论协同学和突变理论等

    ?#24179;? align= ?#24179;? align=

    (a)

    (b)

    图14 ?#24179;a是从地面上看到的?#24179;b是从飞机上往下看到的?#24179;?/span>
    Fig.14 Cloud streets a) the cloud streets seen from the ground b) the cloud streets seen from an airplane when looking downwards
    贝纳特花纹

    (a)

    (b)

    图15 贝纳特花纹a及其内部气体的流动规律b
    Fig.15 Bnrd convection pattern (a) and the law of the flow of the inside liquid (b)

    值得做专门介绍的是三种发生在流体中的自组织现象第一种自组织现象是上文提到的?#24179;?#22914;图14所示事实上?#24179;?#20013;顺着风向平行排列?#34892;?#30340;云并不是静止不动的它们都是一条一条的滚动着的云气团在每一条云团内热空气从云团一边上升再从云团的另一边?#38470;?#36825;样云条就滚动起来了正是这样的气流?#30805;?#20351;排列?#34892;?#30340;?#24179;及?#24471;以维持第二种自组织现象是所谓贝纳特花纹?#27493;?#20570;贝纳特失稳流现象在敞口的容器中盛一薄层液体并从底部加热在液体底部和表面间的温度差T不大时液体只以热传导方式散热这时从宏观上看不到变化说明液体是静止不动的而当T超过一定值后就会通过液体内部产生的?#25345;?#31361;变打破原来的稳定状态而引起对流当流型充分发展时会看到蜂窝状结构的六边?#20301;?#32441;如图15a所示这是在底部热液体上升和表面冷液体?#38470;?#30340;驱动力的作用下靠不同部分的协同作用自发形成的一种动态的?#34892;?#32467;构图15b是保持这种?#34892;?#29366;态时内部液体的流动方式热液体从六边形的?#34892;?#37096;位上升冷液体从六边形的相邻边界区?#38470;?#28082;体以这样的?#34892;?#32467;构形式来进行其对流散热在一定的T值?#27573;?#20869;这种?#34892;?#32467;构能保持稳定值的注意的是从薄层液体的底部有足够的热量输入和从其表面有相当的热?#21487;?#22833;是维持该?#34892;?#32467;构的基本条件第三种自组织现象是在以同样方式被加热的薄层液体中出现的滚卷?#30805;?#22914;图16所示这种?#34892;?#32467;构也是在底层与表层流体的温度差达到一定值时产生的图16a中热的流体从一边上升失去热量然后从滚卷的另一边?#38470;?#36825;也是该薄层流体的一种对流散热形式T继续增大到超过一定限度时图中的滚卷就变得不稳定在滚卷中会出现起伏这种起伏会沿着滚卷的长度方向前后?#30805;?#22914;图16b所示若T进一步增大对流形?#20132;?#21464;?#27809;?#20081;以至完全看不到图16所示的?#34892;u及浮?#36825;就叫做进入了混沌?#34180;?#25454;认为如果细致分析混沌不是简单的无序在更小尺度的混沌里仍然包含着丰富的内部层次上的?#34892;R薄?/p>

    图16 薄层流体中的滚卷形对流方式

    图16 薄层流体中的滚卷形对流方式
    Fig.16 Roll-shaped convection patterns in the thin - layer fluid

    自组织现象是发生在?#29420;?#24179;衡的开放系统中的动态现象这里所说的动态既指它是?#30805;?#21644;变化中的?#34892;?#32467;构也指该系统始终在与外界进行着物质和能量上的交换就像生命现象一旦失去了动态生命?#34892;?#32467;构也就结束了

    上述自组织现象的成因和特点将用来分析试验中看到的某些现象并根据?#23548;是?#20917;提出对本文所举现象的解释

    4.2 看到的斑马纹可能是一种自组织现象

    再来分析挨近气?#33322;?#38754;的一个气团的冷却过程可以认为在垂?#21271;?#38754;的上下部位气?#33322;?#38754;的?#22909;?#28201;度是基本相同的该团气体?#38470;?#36807;程中与液相介质的温度差会减小但它与内侧更热气体的温度差却在增大这使它不断被加热随着该气团温度升高它受到的向下的驱动力会不断减小因此我们认为该团气体不可能连续不断地流到该垂?#21271;?#38754;的底部对流层中的对流只能在很有限的高度?#27573;?#20869;进行

    可能引起对流的驱动力总共有四个第一个是层流层的带动作用所产生的向上的力第二个是外侧的气体去补充层流层向上流失气体形成的空缺相应的驱动力它的方向向内第三个是挨近气?#33322;?#38754;的气体因向液相散热而被冷却从而获得的向下流动的驱动力第四个是挨近气?#33322;?#38754;的气体向下流动后其内侧更热的气体有紧跟其后填补它原来位置的趋势这一驱动力的方向向外

    有了产生对流的驱动力不等于就会发生对流这是因为不同部位的气体各有不同的流动方向这与没有交通规则时十?#33268;?#21475;堵车的情形有点相似只有交通部门制定了相应的交通规则并用规则来协调它们的关系才能解决车辆的拥堵问题这里的协调问题只能靠内部气体用自组织的方式去解决

    参照前面介绍的三种存在于流体中的自组织形式特别是图16的滚卷?#21450;?#26412;文推测?#21644;?中的斑马?#21697;从?#30340;是一类自组织现象但是要产生自组织的对流首先需要有?#25345;?#31361;变来启动气体的流动启动起来之后靠相关的气体的自组织?#30805;?#32463;过一段时间的自?#19994;?#33410;最后形成了我们看到的自组织花纹一个斑纹宽度就是一个滚卷区的宽度冷气体从滚卷的一侧向内流向试样表面而热气体从另一侧向外流向气?#33322;?#38754;横向平行排列的滚卷能协调好它们之间的相互关系这就成为我们在图5中看到的斑马纹这是蒸汽膜内对流层中的一种对流散热方式在蒸汽膜的气?#33322;?#38754;上冒出热气体的部分温度较高因而表面张力?#31995;停?#32780;吸入冷气体的部分温度?#31995;停?#22240;而表面张力较高吹过气球的人会有这样的经验在膜壁薄的部分容?#29366;?#20986;格外的小泡那是因为薄的气球膜壁容易被拉开同样的道理表面张力低的部分的气?#33322;?#38754;也容易被吹动而稍向液态介质方凸起凸面镜对光线的发散作用使隆起的部分看起来比较亮这就让我们看到了斑马纹

    按照自组织现象的产生规律这种?#34892;?#32467;构的形成应当从蒸汽膜内足够大的涨落所引起的突变开始它是一种耗散结构而耗散结构的存在总是以系统与外界有不断的物质和能量的交换为条件这就是斑马纹只出现在冷却过程之中的原因在斑马纹区域的下方应当是基本没有发生对流的区域在斑马纹区域的上方看到的不再是?#34892;?#30340;花纹而是波涛汹涌的表面估计是进入了对流的混沌阶段通常垂直和倾?#21271;?#38754;蒸汽膜上冒出气泡的地方应当是已经进入混沌阶段的部位

    当然这只是一种推测还需要通过更多的试验观测和?#32454;?#30340;数学推导来加以证明

    五 其它几种基?#22659;?#21521;蒸汽膜内的气体流动规律

    有了前面的研究结果再来讨论其它基?#22659;?#21521;类型的气体流动规律就比?#20808;?#26131;了下面需要研究的只是它们相对于垂?#21271;?#38754;的不同之处

    图17 倾斜向上表面蒸汽膜的层流层内热气体团发生流动的驱动力较小
    图17 倾斜向上表面蒸汽膜的层流层内热气体团发生流动的驱动力较小
    Fig.17 In the laminar layer of a vapor blanket that covers a surface inclining upwards, hot gas masses have poor drive to flow

    5.1 倾斜向上表面蒸汽膜内的气体流动规律

    ?#21271;?#38754;被倾斜放置时热气体?#32454;?#30340;驱动力F与热气体的?#30805;?#26041;向就形成一个交角?#21462;?#29992;来推动热气体沿表面向上?#30805;?#30340;驱动力?#22270;?#23567;到Fcosȣ如图17所示 按照这种关系夹角ȣ越大热气体?#30805;?#30340;驱动力就越小于是在倾?#21271;?#38754;上的蒸汽膜内热气体向上流动的速度必然减小然而和垂?#21271;?#38754;相比层流层中热气体要走的路程却没有改变流速越小单位时间内输送的热气体的量也就越少相应地开始发生热气体拥堵的路程Lc就越短按理这种朝向的蒸汽膜内也应当有层流层和对流层由于驱动热气体上升的力在朝向介质方向上有大小为Fsin的分力对流会比?#20808;?#26131;发生气体拥堵后气泡的排出?#19981;?#27604;?#20808;?#26131;

    在向上倾斜的表面上为解决热气体拥堵而排出的气泡容易从上方离开试样表面这就不存在气泡的上升过程对所路过的蒸汽膜区的影响问题

     

    图18 气泡上升过程中常与向下倾斜的蒸汽膜挨近
    图18 气泡上升过程中常与向下倾斜的蒸汽膜挨近
    Fig.18 Ascending gas bubbles tend to come close to a vapor blanket that inclines downwards

    5.2 倾斜向下表面蒸汽膜内的气体流动规律

    相比之下向下倾斜的表面上排出的气泡在上升过程中却较难?#29420;?#35797;样表面如图18所示同时在蒸汽膜之外由于冷却介?#36866;?#28909;总是贴近蒸汽膜向上流动上方蒸汽膜外的介质温度也比下方的要高这些都会减慢上部表面的冷却速度在条件适合时从下方蒸汽膜中逸出的气泡在其上升过程中还可能与蒸汽膜相撞而汇合汇合的结果使局部表面的蒸汽膜突然增厚由于超过了试样表面温度所能维持的蒸汽膜厚度过多的气体将再?#25105;?#27668;泡的形式从蒸汽膜中逸出这一过程将使向下倾?#21271;?#38754;的散热速度进一步减慢

     

     

     

     

    图19 圆柱体上下表面孤立蒸汽膜区的形成过程
    图19 圆柱体上下表面孤立蒸汽膜区的形成过程
    Fig.19 Separate vapor-blanket areas on the upper and lower surfaces of a cylinder are coming into existence

    5.3 水平表面上孤立蒸汽膜区的形成过程

    淬火冷却中当试样具有水平向上和水平向下表面时经常会遇到这类问题首先参照图19所示的情形说明孤立的水平向上和水平向下的表面蒸汽膜区是如何形成的

    图19a中用带箭头的流线所表示的是保持完整蒸汽膜时蒸汽膜内层流层的气体流动规律蒸汽膜内从下到上产生的多余热气都沿着试样表面往上流动最后汇聚到顶平面的蒸汽膜中由于汇聚了下面输送来的热气体顶平面内的蒸汽温度就特别高温度高气?#33322;?#38754;张力就低大量的热气体汇聚和温度高使顶平面蒸汽膜的厚度就特别大表面张力小多余的热气体也容易形成气泡于是多余的热气体就以气泡的形式陆续进入上方的液态介质中所有这些都不利于顶部表面的降温使顶部平面成为冷却得很慢的部分此时整个蒸汽膜内的空间是连通的水平向上表面的蒸汽膜内气体流动所采取的方式既有对流也有水平方向的层流而在水平向下表面的蒸汽膜内因为能从其边沿向上输送热气体蒸汽膜内必然有层流层

    继续冷却下去将出现超前扩展点对于圆柱形试样超前扩展点通常从其底面边沿的某处产生随后交界线向其它部分扩展一旦底部边沿全部变成为非蒸汽膜区在底平面下就形成了一片孤立的蒸汽膜区如图19b所示接下来交界线沿侧面往上扩展如果侧面高度不大当交界线完成了圆柱侧面的扩展时又会形成如图19c所示的位于顶部表面的孤立蒸汽膜区在上下两个蒸汽膜区消失之后还可能有成团的大气泡紧贴在试样的底部表面上如图19d所示

    5.4 孤立的水平向上表面蒸汽膜内的气体流动规律

    在水平向上表面的孤立蒸汽膜区中温度最高的气体位于蒸汽膜内气体的底层蒸汽膜的上表面是散热面因此上表面附近的气体温度最低在开始发生对流之前底层气体的密度虽然都很小但周围都是相同密度的气体结果任何部分的底层气体所受的合力都应当是零这时只靠上下层气体的密度差并不能引起蒸汽膜内气体发生对流在这种情况下蒸汽膜只能靠热传导来散热当然这是一种非常脆弱的平衡状态事实上由于存在扰动气体内部不同部分之间总会发生一定大小的随机?#30805;?#24213;层有一小团气体发生了哪怕是微小的向上位移这种平衡就会被打破因为该气团立刻会在水平方向被温度?#31995;?#22240;而密度更大的气体包围起来从而受到浮力的作用而继续上升在这部分热气体上升的同时原有的脆弱平衡即被破坏经过气体内部的自?#19994;?#33410;整个蒸汽层将会以一定的方式进行对流散热这与贝纳特失稳流现象的产生条件非常相似只是贝纳特失稳流中的薄层液体换成了薄层气体有理由认为这种情况下蒸汽膜内的气体对流将以?#25345;?#23439;观?#34892;?#30340;或者混沌的结构形式进行

    事实上从形成完整蒸汽膜起顶平面上的蒸汽膜就承担着接纳试样下面输送上来的热气体并以气泡的形式把热气体排出的任务这期间蒸汽膜内不缺少引起对流的条件因此蒸汽膜内如果出现了?#25345;行?#30340;对流方式也是在成为孤立蒸汽膜区之前的扰动所促成的由于缺少水平方向的驱动力水平向上的孤立蒸汽膜区内的气体基本上不发生层流

    5.5 孤立的水平向下蒸汽膜内的气体流动规律

    当所处的是水平向下的表面时蒸汽膜内温度最高因而最轻的气体位于蒸汽膜的最上层而温度更低因此密度更大的气体则处于离表面最远的挨近液体介质的最下层这种情况下除蒸汽膜区的边沿部分外由于没有发生自然对流的驱动力蒸汽膜内的气体应?#21271;?#25345;静止不动这会是一种相当稳定的平衡状态即便遇到比较大的扰动也只能引起一时的混乱而后?#22815;?#33258;动?#25351;?#21040;它的平衡状态于是水平向下的表面当处于孤立蒸汽膜笼?#36136;保?#21482;能通过蒸汽层的热传导来散热其结果在孤立蒸汽膜笼?#36136;保?#27700;平向下的表面通常冷得很慢

    所有孤立的水平蒸汽膜区都不容易产生新的超前扩展点和蒸汽膜区的内部相比边沿冷却得最快因此水平向上和向下表面的?#34892;?#37096;位总是冷却得最慢的地方

    5.6 值得注意的气液两相流区

    从大量的图片中已经看到在顶面蒸汽膜区的上方以及侧放表面中上部位的蒸汽膜之外都存在一个介质温度很高的气液两相流区这里所说的气液两相流区指的是液态介质中混杂有大量的从蒸汽膜中排出的气泡的那部分区域由于?#20204;?#22495;的介质温度总是相对较高它们多处在向上流动中无疑在整个液态介质中那是一个不利于获得快冷效果的区域关于气液两相流区的特性及其对工件冷却情况的影响将在后续的文章中介绍

    六 其余现象的解释

    6.1 为什么底部边?#31561;?#26131;产生超前扩展点这种超前扩展点的出现有没有随机性

    参照图18a在完整蒸汽膜期间底面蒸汽膜内多余的热气体通常?#28909;?#36807;底面边缘然后再沿垂直的试样侧面往上流动圆柱底面的棱边是试样上的凸出部分因而是试样上散热最快的部位也是蒸汽膜最薄的部位这就是超前扩展点首先在底部边沿上产生的原因把底部边沿看成是由很多个小部分所组成的一个圈这些小部分互为等效厚度部分通常超前扩展点不可能在整个边沿同时出现究竟出现在其中的哪一个部分仍然是由随机因素决定的

    6.2 飘忽不定的底部气泡是怎么形成的?#20811;?#23545;试样的冷却过程有什?#20174;?#21709;

    一旦底部边缘成为非蒸汽膜区水平底面蒸汽膜中的气体就很难通过上升的方式离开底面在那里离开蒸汽膜的气体往往形成孤立的气泡然后顶在表面温度降低到Tb以下的试样底面上在底平面温度还比较高时气泡内的蒸汽一时还不能被介质吸收周围液体介质的流动可能使这些气泡在底面飘来飘去在飘忽中与底面残存的蒸汽膜相遇时气泡与蒸汽膜有可能合二为一因为气泡远比蒸汽膜厚二者的结合会使蒸汽膜区的面积突然扩大和蒸汽膜的厚度突然增加新增加的蒸汽膜可能覆盖到原来已经冷却到Tb温度以下的表面上这就成为跨越Tb等温线的特殊的特厚蒸汽膜区由于低于Tb温度的表面没有能力维持它上面的蒸汽膜而其它温度高于Tb的表面也不能维持过厚的表面蒸汽膜这种特殊的蒸汽膜是不能稳定存在的在表面张力的作用下这种特殊的蒸汽膜会分裂成比较稳定的蒸汽膜区和飘忽的大气泡这种现象在接近顶部的垂直与倾?#21271;?#38754;上也时常会遇到

    因为气体热传导的散热效果最差上述气泡不管是处于飘忽不定时还是汇合成厚大蒸汽膜区时都会减慢这些表面的散热速度

    七 蒸汽膜内的气体流动规律

    为便于全面了解蒸汽膜内气体的流动规律我们把前面介绍的主要内容汇总在一起成为表1

    表1 蒸汽膜朝向与其内部气体流动特点的对比表

    Table 1 The directions that the vapor blankets face and the features of the flow of gas inside the vapor blankets (by contrast)

    蒸汽膜所在部位

    内部气体的流动规律及相关特性

    流动方式

    气泡排出位置

    气泡分离的难易

    可能的散热方式

    垂?#21271;?#38754;

    长距离上升的层流小于蒸汽膜厚度?#27573;?#30340;对流

    距垂直面下端Lc以上

    容易

    排气泡对流热传导热辐射

    向上倾?#21271;?#38754;

    同上但层流层中气体流动?#19979;?/p>
    距底端远于Lccos部分

    ?#20808;?#26131;

    同上

    向下倾?#21271;?#38754;

    同上

    同上

    较难

    同上

    水平向上表面

    主要是对流基本无层流

    蒸汽膜的整个气?#33322;?#38754;

    容易

    同上

    水平向下表面

    基本无层流基本无对流

    同上

    很难

    热传导热辐射

    任何工件或者试样当以一定的方式放置在液态介质中冷却时其整体的冷却问题都可以分解成该工件?#32454;?#20010;局部表面的冷却问题因此只用五种基本类型的流动规律就可以分析所有工件的冷却问题

    八 讨论

    有关的事项很多在此只讨论其中的四个问题

    8.1 淬火变形开裂与本气体流动规律的相似之处

    它们都是由内部应力所引起的因此就像一个工件内不可能只存在单纯的张应力或者单纯的压应力一样蒸汽膜内的气体也不可能发生整体的单向流动这一道理也可以用来推断蒸汽膜内有层流层就必然存在对流层这是判断蒸汽膜内可能同时存在对流层和层流层的另一个方法

    在工件的内应力超过工件的承受能力后工件要发生变形开裂同样的道理当内部气体的量或者流动的激?#39029;?#24230;超过蒸汽膜的承受能力后多余的气体就会冲破蒸汽膜而以气泡形式跑掉

    8.2 再看蒸汽膜期的热气体排出过程

    气?#33322;?#38754;产生介质蒸汽的过程对蒸汽膜期表面散热具有重要贡献多余的热气体能以形成气泡的形式排出是保证这一过程正常进行的必要条件因此某部分蒸汽膜排出气泡的难易程度是影响所在表面冷却速度快慢的重要因素这应当成为制定工件淬火冷却工艺时需要考虑的问题

    8.3 蒸汽膜内气体的流动规律与是四阶段理论的新内容

    蒸汽膜阶段是四阶段中的第一个阶段因此蒸汽膜内气体的流动规律就是四阶段理论中新增加的内容先前提出的四阶段理论只描述了蒸汽膜的消失过程其基本内容为四点图超前扩展点的出现交界线扩展以及交界线借用的有关规律它研究的只是四阶段中的中间阶段因此现在把这些规律改称为中间阶段理论这样四阶段理论中已经发展出了蒸汽膜内气体的流动规律和中间阶段理论两个部分

    蒸汽膜内气体的流动规律是独立于中间阶段理论的另一新的发现之所以这样说原因是蒸汽膜内气体的流动规律可以简单概括为表1以及由层流层气体的流动造成的上下表面的温度差和冷却速度差而这些是从试样表面形成蒸汽膜时开始一直进行到最后一片蒸汽膜区消失为止

    中间阶段理论描述的是蒸汽膜的消失过程其基本内容为四点图超前扩展点的出现交界线扩展以及交界线借用的有关规律在我们提出中间阶段理论之时还没有研究蒸汽膜内气体的流动规律因此中间阶段理论是在不考虑蒸汽膜笼罩区的冷却是否均匀的前提下提出来的

    现在揭示了蒸汽膜内的气体流动规律知道了只要蒸汽膜存在就一直在所笼罩区制造着冷却的不均匀性这将成为今后应用中间阶段理论的基础事实上我们过去用中间阶段理论解释的试验结果中就包含着蒸汽膜内气体流动规律的影响或者说它的贡献正因为如此才有本文开头提出的那些无法解释的现象

    本文讨论的蒸汽膜内气体流动是在地心引力的作用下发生的在失重条件?#38470;?#19981;会有表1所述的规律但是本文认为中间阶段理论所述的四点图超前扩展点的随机性以及交界线借用等即便在失重条件下也是存在的

    鉴于以上理由本文认为蒸汽膜内的气体流动规律与中间阶段理论是相互独立的

    8.4 本气体流动规律和中间阶段理论起作用的先后和相互关系

    不过这两套理论也有它们的共同之处按行?#30340;?#20256;统的认识淬火冷却中工件上不同部位的冷却快慢基本决定于该部位的?#34892;?#21402;度和所用淬火介质的三阶段理论的冷却特性而现在发现的这两类因素都以其各自的规律在工件上造成冷却的不均匀性因此这样的温度差是按三阶段理论可以说是格外的温度差

    用?#23548;?#30340;例子容易说明这两项因素起作用的先后和相互关系在图1所示的试样冷却过程中入液后长达31秒的时间内试样被完整的蒸汽膜包裹着这期间按蒸汽膜内气体的流动规律球体表面从下到上的温度差异在不断地增大由于是均匀的球体我们可以?#33268;缘?#35748;为这种温度差的特点是越往上表面温度越高而在同一高度上表面温度则基本相同到31秒出现超前扩展点之时这种温度差异已经达到相当大的程度

    出现超前扩展点之后交界线扫过的地方先发生沸腾然后就进入对流冷却阶段这就与具有相同高度但交界线还没有扩展到的蒸汽膜笼罩区之间产生了冷却进程上的差异在仍然被蒸汽膜笼罩区域内不同高度之间的温度差异则继续在增加 两者共同作用的结果会使工件上不同部位之间的温度分布情况变得更复杂

    8.5 与淬火变形问题复?#26377;?#30340;关系

    工件的淬火变形是机械制造行业的世界级的难题这通常指用油和水性介质淬火时出现的淬火变形问题与被推崇的高压气淬和低温盐浴淬火相比这类问题的主要特点一是变形程度大二是变形无规律或者?#24403;?#24418;数据很分散虽然采用了多方面的措施也取得了一定的效果但是在行?#30340;?#22806;多数人还是认为问题主要出在淬火冷却环节

    某事物经常发生预想不到的较大偏差通常是未知的重要影响因素在作怪?#19994;?#20102;这些因素及其作用规律问题就能得到解决工件淬火变形成为问题也应当是某些未知因素作用的结果中间阶段理论和蒸汽膜内气体的流动规律所描述的正是淬火冷却过程中的两类前所未知现象的作用规律这两类现象各以自己的规律一直在工件?#29616;?#36896;着温度差

    仅以图1所示的冷却过程就可以说明这两项前所未知的因素对淬火冷却过程的影响究竟有多大在入液38.16秒也就是出现超前扩展点后约7秒?#20204;?#20307;表面上交界线扩展到的地方发生沸腾冷却的总时间只有0.6秒在入液42.28秒也就是出现超前扩展点后约11.5秒交界线通过处的球体表面发生沸腾冷却的总时间只有0.4秒?#33268;?#20272;计交界线扩展的总时间为20秒并以最后一片蒸汽膜消失的时刻作为淬火冷却的中止时间于是从整个冷却过程的时间分配看前者在蒸汽膜笼罩下冷却了38.18秒靠沸腾方式只冷却了0.6秒对流冷却的时间为12.2秒而后者的时间分配?#30452;?#26159;蒸汽膜42.28秒沸腾0.4秒和对流8.3秒[8]这说明?#23548;?#24037;件的淬火冷却中与蒸汽膜方式和对流方式相比沸腾冷却方式的作用时间最短在蒸汽膜长期笼罩下工件上产生的温度差很可能就是引起超差淬火变形的主要原因

    我们相信在精细淬火冷却技术中按照它们的规律对这两类现象加以控制有可能使工件的淬火变形问题朝根本性的解决迈出一大步

    参考文献

    [1] 张克俭王水郝学志液体介质中淬火冷却的四阶段理论热处理技术与装备[J]2006,27(6):14-25

    [2] 张克俭王水郝学志吊重法测蒸汽膜厚度 热处理技术与装备[J]200829(1):

    [3] 范宏昌热学[M]北京科学出版社2003.

    [4] 李如生非平衡态热力学和耗散结构[M]北京清华大学出版社1986.

    [5] [德]H.哈?#29616;?#20940;复华译协同学[M]上海上海译文出版社2005.

    [6] [美]格雷克著张淑誉译混沌[M]北京高等教育出版社2004.

    [7] [英]P.T. 桑德?#24618;?凌复华译?#30452;?#29702;论入门[M]上海上海科学技术文献出版社1983.

    [8] 张克俭沸腾冷却区的宽度及其传达的信息热处理技术与装备[J]200728(6):10-16.


    评论
    匿名用户 [来自101.30.231.249]
    2015-01-04 09:10
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