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浅谈ANSYS的调节阀温度场分析

1 概述
当今现代化工业技术的飞速发展使得高温流体管路系统的应用日益增加,从而拓宽了电动调节阀的应用领域。电动调节阀执行机构承受的温度有严格的限制,过高的温度会严重影响执行机构控制精度和使用寿命。因此,对调节阀温度场进行模拟分析,不仅可以确定阀体在高温条件下承受热载荷的能力,而且可为分析执行机构内部温度分布状况提供参考依据。

2 温度场分析有限元理论基础

调节阀在稳定热负荷状态下,流体介质流入和流出的热量之差等于调节阀散出的热量。流体作为热源,与调节阀进行强迫对流换热,调节阀与大自然中的空气形成了对流换热和辐射换热。调节阀内部传热遵循傅立叶定律,调节阀的热量主要来自流体,因此调节阀温度场分析属于无内热源问题的稳定热分析。取微元体进行分析,热力学平衡方程:

式中:c为比热;ρ为材料质量密度;qv为内部热源(即单位时间内单位体积释放的热量);λ为导热系数。

对于常物性、无热源、稳态温度场分析,式(1)可以简化为:

3 有限元模型的建立

3.1 三维几何模型的建立

调节阀几何形状及结构对称,可取其一半进行建模分析。考虑到导入模型中存在曲面破损或无法进行布尔操作,采用Pro/E与ANSYS共同建立调节阀三维模型,如图1所示。

图1调节阀三维模型

网格划分采用六面体和四面体相结合的方式。把装配体看成一个整体,为提高结构突变部分的精度,模型局部进行了细分和均匀过渡。网格划分模型如图2所示。

3.2 边界条件

图2调节阀网格模型

调节阀的热流耦合分析选取了温度场的第三类边界条件和热流耦合特有的边界条件。单独温度场分析选取了温度场的第一类边界条件和第三类边界条件。

第一类边界上已知温度均匀且保持常数,即TW=常量;第三类边界上,固体与流体因温度差而发生了热对流换热。此时固体表面的热流密度与温度差成正比:

式中:N为换热表面的外法线;h为换热系数;TW为边界面温度;Tf为流体温度。

热流耦合特有边界条件包括流体进出口压力、流体温度和壁面边界。由于流体和固体遵循不同的控制方程,所以固体和流体交换壁面上温度和热流密度必须满足连续性边界条件:

通过耦合迭代求解耦合面的温度和热流密度。

初始条件:初始条件是过程开始时物体整个区域中所具有的温度,即:

3.3 流体特性

根据调节阀的使用场合,采用了导热油为流体介质,其参数如表1所示。

表1流体特性参数

4 热流耦合与单独温度场分析

4.1 热流耦合分析

流场分析采用了ANSYS中的Flotran CFD模块。选择单元fluid142,单元有四面体、楔面体和过渡金字塔的形式。

流场分析边界条件:流体需要施加入口压强和温度,出口处只施加压强,流体的壁面和对称面施加速度边界条件;固体施加外界对流换热。

热流耦合温度场分析结果如图3所示。

图3热流耦合分析调节阀温度场分布

4.2 单独温度场分析

采用ANSYS中的SWitch使模型从流场经结构场过渡到温度场,它们之间的单元转换关系为fluid142-solid45-solid70。施加边界条件见表2,单独温度场分析结果如图4所示。

表2单独温度场分析边界条件

图4单独温度场分析调节阀温度场分布

4.3 结果对比

1)采用热流耦合分析和单独温度场分析所得到的调节阀温度场相差不大,阀杆最高温度相差为7℃左右。

2)采用热流耦合分析时,在分析完温度后还要分析热应力,需要采用间接耦合方式。由于节点温度值是无法从流场直接导入到结构场,因而需要采用物理场进行分析。鉴于单元solid45没有过渡的金字塔形式,需采用四面体单元。

3)450℃以上环境中的调节阀,阀体在设计和选用时必须考虑温度、压力条件对材料机械强度的影响。热流耦合中的流场分析可获得阀体内部压力分布情况,结构分析时,依次从流场-温度场-结构场导入阀体温度分布,这样可以提高阀体温度分析的精度,但耗时较长。

5 温度场数值模拟

前述分析结果表明:热流耦合分析与单独温度场分析结果差别不大,因此可以直接用ANSYS中的ThErMAL模块进行分析。采用单元为solid70,SWich到结构单元为185。

模型舍去了流体部分。对于外表面存在的热辐射,采用表面热效应单元SurfAcE152。网格划分见表3。

表3网格划分情况

在调节阀的材料特性、结构特性和结构密封性均满足要求的条件下,温度场数值模拟结果如表4所示。采用MATLAB对表4中数据进行拟合,拟合曲线见图5。



图5温度场数据拟合曲线

表4温度场数值模拟结果

由图5可知:在调节阀散热方面,辐射散热随温度增加而增加的幅度比对流散热快,起主要作用。温度每增加50℃,阀盖和阀杆的温度增加11℃~17℃。因此,为了降低执行机构的温度,需要采用以下措施:

1)加强外界空气的自然对流情况,或者改自然对流为强迫对流;
2)加大散热面积,例如把阀盖的直筒式改造为散热片的形式。

6 结论

1)热流耦合分析方法与单独温度场分析相比,分析结果更为精确,但耗时长。实际应用时,可以采用单独温度场分析方法。
2)辐射散热是调节阀散热的主要途径,改善空气对流情况、加大散热面积,能有效降低调节阀执行机构的温度。
3)热流耦合和温度场模拟仿真提供了一种探求调节阀传热边界条件的方法,对相似类型调节阀的设计和优化具有参考价值。

参考文献:

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