中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，2025年，真空爐行業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展方面取得了顯著進(jìn)展。隨著材料科學(xué)、航空航天、電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展，真空爐作為高溫真空環(huán)境下的重要設(shè)備，其溫度場(chǎng)的均勻性和精確控制成為研究的重點(diǎn)。本文將探討真空爐溫度場(chǎng)模擬的研究進(jìn)展，包括測(cè)試方法、計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分、輻射模型以及影響溫度場(chǎng)的因素，展示其在現(xiàn)代工業(yè)中的重要性和未來(lái)發(fā)展方向。
《2025-2030年中國(guó)真空爐產(chǎn)業(yè)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及投資規(guī)劃深度研究報(bào)告》指出，真空爐的溫度場(chǎng)測(cè)試是評(píng)估其性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。溫度均勻性是評(píng)價(jià)真空爐性能的核心指標(biāo)，反映了爐內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)的最高和最低溫度與控制點(diǎn)的偏差。
(一)非接觸式測(cè)溫
非接觸式測(cè)溫具有高精度、廣范圍、快響應(yīng)且不會(huì)破壞真空爐內(nèi)溫度場(chǎng)等優(yōu)勢(shì)，主要包括輻射測(cè)溫和聲學(xué)測(cè)溫。常見(jiàn)的輻射測(cè)溫儀有亮度溫度計(jì)、單色輻射溫度計(jì)、比色溫度計(jì)、紅外熱像儀及多波長(zhǎng)溫度計(jì)。
(二)接觸式測(cè)溫
接觸式測(cè)溫主要采用熱電偶，其測(cè)溫精度較高，但受熱電偶數(shù)量、位置及測(cè)溫范圍限制。
(一)溫度場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型
數(shù)值模擬是研究和優(yōu)化真空爐內(nèi)溫度均勻性的重要手段。目前主要的溫度場(chǎng)求解方法包括經(jīng)典區(qū)域法、Galerkin有限元法與Monte Carlo法。
(二)真空爐溫度場(chǎng)有限元模擬
網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分方法是影響計(jì)算精度與效率的核心要素。
直線劃分法構(gòu)建網(wǎng)格效率高，計(jì)算效率高真空爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溫度場(chǎng)呈線性變化的區(qū)域形狀復(fù)雜或溫度梯度較大的真空爐計(jì)算精度低
Delaunay三角形法離散幾何特征，有助于捕捉溫度梯度和熱流變化爐內(nèi)復(fù)雜區(qū)域劃分對(duì)邊界條件敏感，需合適算法和參數(shù)設(shè)置
Voronoi剖分自動(dòng)化程度高，可保持內(nèi)部連續(xù)性真空爐內(nèi)溫度源的熱影響區(qū)域單位尺寸與幾何特征失配，多區(qū)域交界處數(shù)值接口不協(xié)調(diào)
掃掠法自動(dòng)化程度高，可保持內(nèi)部連續(xù)性真空爐有拉伸形狀或旋轉(zhuǎn)的部件網(wǎng)格密度及精度難以控制，邊界單元規(guī)整性差
映射法將目標(biāo)區(qū)域離散為子區(qū)域，網(wǎng)格密度難以控制規(guī)則形狀幾何體，模擬精度要求不高場(chǎng)景映射函數(shù)的選擇
自動(dòng)劃分法自動(dòng)生成網(wǎng)格，單元數(shù)量多，計(jì)算效率低具有復(fù)雜曲面的加熱元件、形狀不規(guī)則的工件等真空爐生成的網(wǎng)格可能較為密集，需優(yōu)化以提高計(jì)算效率
自由劃分法自動(dòng)生成網(wǎng)格，單元數(shù)量多，計(jì)算效率低具有復(fù)雜曲面的加熱元件、形狀不規(guī)則的工件等真空爐生成的網(wǎng)格可能較為密集，需優(yōu)化以提高計(jì)算效率
混合劃分法結(jié)合多種網(wǎng)格方式，各部位綜合優(yōu)化模擬精度要求高，且形狀復(fù)雜的真空爐需對(duì)不同網(wǎng)格方式的優(yōu)缺點(diǎn)有深入了解
自適應(yīng)劃分基于誤差估計(jì)，誤差較大的區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化真空爐內(nèi)溫度變化劇烈的區(qū)域誤差閾值設(shè)置依賴經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整導(dǎo)致時(shí)程數(shù)據(jù)不連續(xù)
邊界條件及輻射模型
邊界條件設(shè)置需要考慮模型的幾何形狀、物理特性及所模擬的物理過(guò)程。真空爐的邊界條件通常包括壁面、加熱和冷卻器、溫度、真空度、材料特性、輻射及對(duì)流換熱等。
DO模型計(jì)算精度高，適用于復(fù)雜場(chǎng)景高精度復(fù)雜場(chǎng)景高大
MC模型計(jì)算精度高，適用于高精度模擬需要極高精度的場(chǎng)景最高最大
DTRM模型計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于光學(xué)深度較小的情況光學(xué)深度較小的情況中中
S2S模型計(jì)算快速，適用于無(wú)介質(zhì)參與的封閉空間無(wú)介質(zhì)參與的封閉空間高小
P1模型適用于光學(xué)厚度適中且需要考慮物質(zhì)散射的情況光學(xué)厚度適中，且需要考慮物質(zhì)散射的情況中中
ROSSELAND模型計(jì)算快速，適用于光學(xué)厚度較低的場(chǎng)景光學(xué)厚度較低的場(chǎng)景低小
(一)加熱體對(duì)溫度場(chǎng)的影響
加熱體的形狀、數(shù)量、尺寸、布局和功率等參數(shù)通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射及對(duì)流換熱的方式影響真空爐溫度場(chǎng)的分布。研究表明，適當(dāng)增大升溫速率和石墨加熱管直徑可提高加熱效率和爐溫均勻性。加熱體產(chǎn)生的焦耳熱與散熱動(dòng)態(tài)平衡，若功率密度過(guò)高會(huì)形成局部熱點(diǎn)，而功率梯度分布則能主動(dòng)補(bǔ)償爐體邊界的熱損失。
(二)真空爐工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響
加熱體功率、升溫速率及保溫時(shí)間等是控制真空爐溫度場(chǎng)的核心參數(shù)。研究表明，升溫速率對(duì)工件最大溫差影響較大，優(yōu)化加熱工藝后可減小工件溫差，縮短加熱時(shí)間。加熱溫度越低，加熱速率越快，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，而加熱溫度對(duì)滯后影響更顯著。
(三)多物理場(chǎng)耦合對(duì)真空爐溫度場(chǎng)的影響
多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)真空爐溫度分布、均勻性及工藝控制的影響已成為核心研究方向。研究表明，熱-流-固耦合、熱-電耦合、熱-磁流耦合等復(fù)雜物理相互作用顯著影響著溫度場(chǎng)特性。例如，熱-流-固耦合模型揭示了鈦合金板翅結(jié)構(gòu)真空釬焊過(guò)程中溫度場(chǎng)非均勻性特征，發(fā)現(xiàn)流體速度差異導(dǎo)致的溫度梯度是結(jié)構(gòu)變形的主要誘因。
(四)其他影響因素
真空爐行業(yè)現(xiàn)狀分析指出，爐內(nèi)真空度與氣氛也是影響溫度場(chǎng)和工件熱處理質(zhì)量的重要因素。真空度的高低不僅會(huì)顯著影響爐內(nèi)氣體的對(duì)流與輻射傳熱效率，還會(huì)影響氣氛組成如氧分壓等及其含量的變化，進(jìn)而直接干擾材料的加熱速率及化學(xué)反應(yīng)。此外，隔熱屏設(shè)計(jì)對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)具有顯著影響，增加石墨氈厚度可優(yōu)化真空電阻爐的熱損失，保溫效果提高70%。
本文從真空爐溫度場(chǎng)的測(cè)試、網(wǎng)格劃分、輻射模型及影響爐內(nèi)溫度場(chǎng)的因素等方面，綜述了真空爐溫度場(chǎng)的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，接觸式測(cè)溫適于高精度溫度測(cè)量場(chǎng)景，常用測(cè)溫方式為九點(diǎn)測(cè)溫法，若工作區(qū)容積較大應(yīng)適當(dāng)增加測(cè)溫點(diǎn)。溫度場(chǎng)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格劃分方法需根據(jù)真空爐的結(jié)構(gòu)與模擬需求而定，DO模型計(jì)算效率及精度較好，常用作真空爐模擬的輻射模型。影響溫度場(chǎng)的關(guān)鍵因素除了加熱體和工藝參數(shù)外，亦需考慮爐內(nèi)真空度、氣氛、隔熱屏、工裝設(shè)計(jì)及多物理場(chǎng)耦合等。未來(lái)真空爐溫度場(chǎng)研究應(yīng)聚焦于：1)結(jié)合溫度與流場(chǎng)等多物理場(chǎng)的耦合模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建“真空爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—溫度場(chǎng)分布—產(chǎn)品合格率”的綜合優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù);2)將溫度場(chǎng)模擬技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法深度融合，開(kāi)發(fā)出高效的爐內(nèi)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)系統(tǒng);3)實(shí)施真空爐的模塊化設(shè)計(jì)策略，依據(jù)不同生產(chǎn)工藝需求靈活組合成相應(yīng)的爐型，以提升爐內(nèi)溫度均勻性適應(yīng)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)變化。
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