مطالعه ی عددی پارامتر های تاثیر گذار بر عملکرد حرارتی و دینامیکی کوره ی حرارتی پرس گرم

پرس ایزواستاتیک گرم یا هیپ یکی از فرایندهای مورد استفاده در متالورژی پودر است. به دلیل هزینه‌ی بسیار بالای ساخت نمونه آزمایشگاهی این نوع از کوره، استفاده از شبیه‌سازی عددی به منظور مطالعه‌ی رفتار آن بسیار حائز اهمیت است. در این پژوهش، عملکرد هندسه‌ی خاصی از یک کوره‌ی حرارتی پرس گرم به‌صورت عددی مطالعه شده است. به منظور افزایش دقت حل مسئله از مدل ترمودینامیکی گاز واقعی استفاده شده و معادلات پیوستگی، مومنتوم، آشفتگی و انرژی به‌صورت هم‌زمان حل شده است. در این پژوهش ضمن مطالعه‌ی رفتار کوره بر اساس شرایط مرزی و اولیه پیش‌فرض، تاثیر فراسنجه‌های مختلف بر رفتار کوره‌ی حرارتی پرس گرم مثل تغییر نوع گاز، دمای دیواره‌ی آبگرد، وجود یا عدم وجود سپر حرارتی، شرایط مرزی المنت و نیز فشار اولیه بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که فشار اولیه‌ی گاز داخل کوره و نیز دمای مرز آبگرد تاثیر قابل توجهی بر میزان فشار نهایی گاز کوره دارند. همچنین مطالعه‌ی تغییرات گذرای دمای ناحیه گرم در دو حالت خاموش شدن المنت می‌تواند مبنایی برای طراحی و ساخت یک سیستم کنترل دمای مناسب برای کوره باشد.

Numerical investigation of affecting parameters on the thermal and dynamic performance of a hot isostatic pressing furnace

Hot isostatic pressing (HIP) is a manufacturing process used in powder metallurgy science. It can be used to consolidate a powder, enhance the properties of a single crystal, solidify a cast blade in a specified direction and generally, densify a cold pressed, sintered or a cast part. The numerical simulation of the thermofluidic responses of working gases can provide important and detailed information about the dynamics of fluid flow and heat transfer in a HIP furnace. This information cannot be obtained from experimental observations. The experimental investigation of such a high temperature and pressure process is quite expensive. Moreover, the high working pressure and temperature limits the application of probes and sensors that may enable detailed data collection. This paper presents the modeling procedure and the results of a numerical investigation of a HIP furnace. The effects of the heater temperature, the performance of the cooling water system, and the presence of a radiation shield in front of the element were studied for two working gases. Moreover, investigation of the element heat flux and the temperature variation of the furnace could be used to choose a proper element and design an accurate control system. In order to increase the accuracy of the results, a real gas thermodynamic model has been also employed. In terms of physical modeling, the momentum and continuity equations and a twoequation turbulence model were coupled with the energy equation and radiation correlations. The results indicate that the final furnace pressure is directly influenced by the performance of the cooling system and the initial furnace pressure. A linear relation between the final and initial furnace pressure is observed. In addition, the final pressure is dependent on the type of the working gas whereas the temperature distribution is not significantly varied by gas selection. Based on the results, existence of the radiation shield causes nonuniformity in the flow field and temperature distribution of the hot zone area. The thermal conductivity of the furnace wall has a significant effect on the furnace heat loss. As the thermal conductivity increases tenfold, heat loss increases by 700 percent.