基于A(yíng)NSYS的低溫蝶閥模擬試驗與數據分析
運用ANSYS軟件對低溫蝶閥進(jìn)行模擬試驗，在不影響原模型又便于在A(yíng)NSYS中劃分高質(zhì)量網(wǎng)格的基礎上，對低溫蝶閥原模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。首先，通過(guò)對ANSYS的一系列操作得出不同時(shí)刻的溫度分布云圖，然后對其溫度變化情況進(jìn)行分析并進(jìn)行總結。其次，改變對流換熱系數，對其所需的冷卻時(shí)間進(jìn)行模擬計算，同時(shí)擬合出時(shí)間隨對流換熱系數變化時(shí)的三次多項式。最后，通過(guò)對低溫蝶閥的熱-結構耦合分析，得出閥門(mén)在低溫環(huán)境下運行的安全情況。
1、引言
隨著(zhù)計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，近年來(lái)計算機數值模擬技術(shù)已成為產(chǎn)品研發(fā)中的一個(gè)重要輔助手段，數值模擬與分析也逐步開(kāi)始應用于各類(lèi)流體機械產(chǎn)品的設計與分析，國際上一些發(fā)達國家運用數值模擬與分析對產(chǎn)品進(jìn)行了大量計算機模擬試驗研究，如Cameron、EEC等公司在解決可靠性方面做了較多研究，Cameron公司為防止震動(dòng)、減少沖蝕磨損，盡量減少帶有盲目性的樣機制作，對其產(chǎn)品進(jìn)行數值模擬研究，使其產(chǎn)品的結構和流道設計更趨合理。
在模擬過(guò)程中根據產(chǎn)品在工程應用中一些實(shí)際運行條件輸入一些經(jīng)驗的或是理論的數據，進(jìn)行模擬計算求出所要的各種場(chǎng)的分布，而模擬試驗的結果正確與否，要通過(guò)真實(shí)試驗結果來(lái)驗證，或用試驗結果對模擬模型進(jìn)行修正。在沒(méi)有試驗設備的條件下通過(guò)模擬試驗也可對產(chǎn)品的性能有一個(gè)很好的預測。通過(guò)流場(chǎng)各種性能參數的模擬試驗結果與真實(shí)試驗數據的對比，可以評估所用模擬軟件對產(chǎn)品在特定條件下模擬結果正確性和可信度。為以后產(chǎn)品結構優(yōu)化和改進(jìn)設計提供良好的參考和指導，使產(chǎn)品的結構和性能更加優(yōu)越。這里用ANSYS軟件進(jìn)行低溫蝶閥的模擬運算分析。
2、模型及物性參數
2.1、建模與簡(jiǎn)化計算模型
圖1為蝶閥的半剖示意圖，其公稱(chēng)直徑為DN250，其在密封性試驗時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。為了在試驗過(guò)程中減少跑冷損失，首先去掉圖1中的傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)支架和接頭部分。對低溫蝶閥適當的簡(jiǎn)化然后進(jìn)行模擬，前提是不影響原來(lái)的模型，主要是去掉一些對結果沒(méi)有影響的倒角和盲孔里的錐底，這樣便于在A(yíng)NSYS中劃分高質(zhì)量網(wǎng)格。由于主要是針對蝶閥的閥體、閥板、閥桿及其與之關(guān)聯(lián)的部分進(jìn)行模擬，所以簡(jiǎn)化后的模型如圖2示。
圖1 低溫蝶閥半剖圖
圖2 低溫蝶閥模型簡(jiǎn)化圖
2.2、材料的物性參數
該低溫蝶閥閥體、閥板以及閥桿材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，密度為7900kg/m3。由于這種不銹鋼的材料在試驗中內部組織變化程度很小，所以可忽略其相變過(guò)程中釋放的潛熱。蝶閥閥桿與閥體間的密封設計采用填料函密封結構，為了避免溫度過(guò)低對填料函造成嚴重的影響，繼而影響閥門(mén)的正常操作，在設計時(shí)通過(guò)采用長(cháng)頸閥蓋結構，使填料函遠離低溫介質(zhì)，同時(shí)選用耐低溫的柔性石墨填料。柔性石墨是目前最優(yōu)秀的密封材料之一。填料函處的填料及閥板密封材料均使用柔性石墨，其熱導率和比熱容受溫度的影響變化不大。在數值計算過(guò)程中取其平均熱導率87W/(m·K)，平均比熱容510J/(kg·K)，以及密度1530kg/m3。
3、瞬態(tài)傳熱分析
瞬態(tài)傳熱是指一個(gè)系統在加熱或是冷卻過(guò)程中系統的熱流率、溫度、熱邊界條件以及系統內能隨時(shí)間變化的過(guò)程。根據能量守恒定律，瞬態(tài)平衡的矩陣表達式為：
[C]{T}+[K]{T}={Q} (1)
式中：[K]為傳導矩陣，包含導熱系數、對流系數及輻射率和形狀系數；[C]為比熱矩陣，考慮系統內能的增加；{T}為節點(diǎn)溫度向量；{T}為溫度對時(shí)間的導數；{Q}為節點(diǎn)熱流率向量，包含生成熱。
在具體的傳熱過(guò)程中，材料的物性參數、邊界條件與溫度有關(guān)時(shí)，此時(shí)的瞬態(tài)熱平衡表達式為：
[C(T)]{T}+[K(T)]{T}={Q(T)} (2)
3.1、ANSYS瞬態(tài)傳熱分析的主要過(guò)程
ANSYS瞬態(tài)傳熱分析的主要步驟：建立模型、施加載荷、求解和后處理。
(1)建立模型：定義材料的熱物性，定義的不銹鋼的導熱系數、比熱容。定義柔性石墨的密度為1530kg/m3，比熱為510J/(kg·℃)，平均導熱系數為87W/(m·℃)。建立如圖2所示幾何模型，為不同的面積定義材料的屬性，并對幾何模型劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的單元邊長(cháng)設定為0.001。
(2)施加載荷：定義瞬態(tài)熱分析的初始條件。定義邊界條件，在DifineinitialConditions對話(huà)框中，選擇LabDOFtobespecified后的下拉表框中選擇TEMP選項，在VALUE文本框中輸入37℃。在Thermal/convection/online命令后彈出選擇對話(huà)框，在圖形窗口中選擇需要施加對流傳熱的邊，確定后在VALI中定義對流傳熱系數為120W/(m2·K)，溫度定義為-105℃。
(3)求解：確定Time/Frequence選項。設置載荷步的載荷子步或時(shí)間增量，根據線(xiàn)性傳導熱傳遞，可以按ITS=δ2/4α估計初始時(shí)間步長(cháng)，其中δ為沿熱流方向熱梯度最大處的單元長(cháng)度，α為導溫系數，α=K/(ρ·C)。
Time/Frequence選項的子選項Time-timestep中設置總時(shí)間為10800s(3h)，時(shí)間步為10s，最小時(shí)間步1s，最大時(shí)間步為250s，在stepped項中選擇ON。并設定自動(dòng)時(shí)間選項為ON，以便于在求解過(guò)程中自動(dòng)調整時(shí)間步長(cháng)。
非線(xiàn)性選項每個(gè)子步默認的迭代次數為25，在OutputCtrls/DB/Resultsfile選項中選擇Allitems，并在filewritefrequency選項中選擇Everysubstep，求解solve/CurrentLS。
(4)后處理：利用POST1對模型進(jìn)行后處理。
3.2、瞬態(tài)傳熱分析的結果與分析
利用POST1對圖2模型進(jìn)行后處理，對流傳熱系數為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時(shí)的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。
圖3 30s時(shí)溫度分布云圖
圖4 10308s時(shí)溫度分布云圖
從溫度分布云圖可以看出，當對流傳熱系數為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時(shí)，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418℃需要10308s。閥板中心點(diǎn)處為低溫閥體的溫度最高點(diǎn)。閥體外表面是其最低溫所在位置。應用POST26處理器查看低溫閥門(mén)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化如圖5所示。
從圖5中可以看出隨著(zhù)時(shí)間的變化，各點(diǎn)的溫度都在降低，在開(kāi)始的3300s內溫度降低幅度比較大，換熱比較快。而在3300s之后各點(diǎn)的溫度降低幅度明顯減小，換熱比較慢。故而可以得出：隨著(zhù)時(shí)間的推移，低溫蝶閥與試驗箱內的溫差逐漸減小，且溫差減小幅度從快到慢。當到達一定的時(shí)間后閥體的溫度幾乎不在變化，溫度等同于試驗箱內的溫度。
圖5 10800s內各點(diǎn)溫度的變化曲線(xiàn)
只改變對流傳熱系數，其它條件均不變。閥體從環(huán)境溫度降到閥體最高溫度-102.418℃，所需要的時(shí)間隨對流傳熱系數的變化如表1，圖6是其擬合曲線(xiàn)。
圖6 所需時(shí)間隨對流傳熱系數變化的擬合曲線(xiàn)
從而得到在不同的對流傳熱系數下閥體從環(huán)境溫度降到閥體最低溫度-102.418℃所需要的時(shí)間3次多項式公式為：T(s)=-0.0026h3+1.1440h2-182.1711h+20250.6162
表1 對流傳熱系數與降到-102.418℃所用時(shí)間ANSYS分析表
4、熱-結構耦合分析
ANSYS不僅能解決單純的熱分析問(wèn)題，也能解決與熱相關(guān)的耦合場(chǎng)作用問(wèn)題，熱-結構耦合分析便是其中之一。ANSYS進(jìn)行耦合分析的方法有兩種：直接耦合法和間接耦合法。直接耦合法在解決耦合場(chǎng)相互作用具有高度非線(xiàn)性時(shí)更具有優(yōu)勢；對于不存在高度非線(xiàn)性相互作用的情況，間接耦合法更為方便有效。本文采用間接耦合的方法對低溫閥的熱-結構進(jìn)行分析。間接熱-結構耦合法是通過(guò)把第一次熱場(chǎng)分析的結果作為第二次應力場(chǎng)的載荷來(lái)實(shí)現兩種物理場(chǎng)的耦合。
間接耦合法分析的基本過(guò)程：
(1)熱分析：使用ANSYS熱分析的所有功能，在劃分網(wǎng)格時(shí)要盡可能的劃分的密一些，因為這樣便于后續的分析。
(2)單元轉換：上述熱分析完成后，再次進(jìn)入前處理。在這部分，通過(guò)相應的命令Switchelementtype/thermaltostructure把原來(lái)的熱單元轉換為結構分析單元structuresolid4node182。
(3)結構分析參數設置：設置結構的材料參數，包括材料的熱膨脹系數、前處理設置、節點(diǎn)耦合約束方程等。
(4)結構分析邊界條件輸入：選擇熱分析的結果文件*.rth作為結構分析的邊界條件輸入，并設定參考溫度。
(5)結構分析求解和后處理：結果主要由應力、應變等組成。結果文件主要包括基本數據和導出數據。X、Y方向和總的熱變形位移圖分別如圖7、圖8、圖9所示。圖中的位移顯示放大了100倍。圖中黑色邊線(xiàn)為常溫下的狀態(tài)，云圖顯示了閥體在試驗條件下?tīng)顩r。X、Y方向和總的熱變形最大位移分別為0.0756、0.0339、0.0863mm。
圖7 X方向的熱變形位移圖
圖8 Y方向的熱變形位移圖
圖9 總熱變形位移圖
總熱應力分布如圖10所示，在法蘭處所受到螺栓的約束，最大應力集中在法蘭和閥體與閥頸連接處。但最大的熱應力為0.171GPa，遠小于閥體材料的屈服強度1.240GPa，閥體的變形屬于彈性變形，所以閥體材料在低溫條件下運行是安全的。
圖10 熱應力分布圖
5、結語(yǔ)
對低溫閥在新的測試環(huán)境下的降溫速度進(jìn)行模擬試驗，確保試驗時(shí)低溫閥閥板中心達到試驗所要求的溫度，為低溫閥門(mén)的試驗提供一個(gè)冷卻時(shí)間參考，當對流傳熱系數為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時(shí)，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418℃需要10308s。同時(shí)擬合出同一低溫閥從環(huán)境溫度降到試驗溫度時(shí)所需要時(shí)間隨對流傳熱系數變化的多項表達式。通過(guò)熱-結構耦合對低溫閥在低溫條件下熱變形位移、熱應力分布進(jìn)行模擬計算，應用模擬試驗可以預測閥門(mén)在低溫狀態(tài)下應力集中的區域，為設計人員對其進(jìn)行優(yōu)化設計提供參考依據。
