基于ANSYS的调节阀温度场分析与数值模拟.pdf

文章编号 1002258552009 0120026204 作者简介徐宏海1967 - ,男,教授,研究方向 CAD /CAM、 先进制造技术。 基于ANSYS的调节阀温度场分析与数值模拟 徐宏海 1,李玉洁1,詹宁2 11北方工业大学机电工程学院,北京100144;21北京埃科特机电技术有限公司,北京100037 摘要 基于ANSYS有限元分析软件,采用热流耦合与单独温度场两种分析方法,对调节阀的 温度场进行分析。结果表明,采用热流耦合方法,可以提高温度分析精度,但计算过程复杂。通过 对调节阀温度场的数值模拟,提出了降低执行机构温度的有效途径。 关键词 调节阀; ANSYS;热流耦合;温度场;数值模拟 中图分类号TH138. 52 文献标识码A Temperature field analysis of control valve based on ANSYS XU Hong2hai 1 , L I Yu2jie 1 , ZHAN N ing 2 1. College of Electrom echanical Engineering, N orth U niversity of Technology, Beijing100144, China; 2. Beijing ACT M achinery ANSYS; Heat-Fluid Coupling; Temperature Flied; N um erical Sim ulation 1 引言 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 〔1〕 为 5 5x λ 5T 5x 5 5y λ 5T 5y 5 5z λ 5T 5z qvcρ5T 5t 1 式中 c 比热, kJ / kg℃ ρ 材料质量密度, kg/m 3 qv 内部热源单位时间内单位体积释放 的热量 λ 导热系数,W / m℃ 对于常物性、 无热源、 稳态温度场分析,式1 简化为 5 2 T 5x 5 2 T 5y 5 2 T 5z 02 3 有限元模型建立 311 三维几何模型 调节阀几何形状为结构对称,可取其一半进行 建模分析。采用Pro/E与ANSYS共同建立调节阀 62 阀 门 2009年第1期 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 三维模型图 1 。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 突变部分分析的精度,模型局部进行了细分和均匀 过渡 〔2〕图 2 。 图1 调节阀三维模型 图2 调节阀网格模型 312 边界条件 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。 第一类边界条件为已知温度均匀且保持常数, 即 TW常量 第三类边界条件为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,即 -λ 5T 5n w h Tw-Tf3 式中 n 换热表面的外法线 h 换热系数,W / m℃ TW 边界面温度,℃ Tf 流体温度,℃ 热流耦合特有的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 〔3〕,即 TsolidTfluid4 λfluid 5T 5n fluid λsolid 5T 5n solid 5 式中,λfluid ≠ λ solid, 5T 5n fluid ≠5T 5n solid ,需通过耦合 迭代求解耦合面的温度和热流密度。 初始条件是过程开始时,物体整个区域中所具 有的温度,即 T t 0T0 6 313 流体特性 根据调节阀的使用场合,采用了导热油为流体 介质表 1 〔4〕 。 表1 导热油特性参数 温度 ℃ 密度 kg /m3 定压比热容 〔kJ / kg℃〕 运动粘度 m 2 /s 导热系数 W / m℃ 29082816217460146e- 601087 4 热流耦合与单独温度场分析 411 热流耦合 流场分析采用ANSYS中的Flotran CFD模块, 选择fluid142单元。边界条件包括流体入口压力、 温度和出口压力等,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边界条件。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 722009年第1期 阀 门 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 图4 单独温度场分析调节阀温度场分布 412 单独温度场 单独温度场分析采用ANSYS中的sw itch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。边界条件 见表2,分析结果如图4所示。 表2 单独温度场分析边界条件 施加条件 空气自然对流系数 W /m2℃ 热源温度 ℃ 数值71596290 413 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较小,阀杆最高温度相差 约为7℃。 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 渡金字塔形式,需采用四面体单元。 3450℃ 以上环境中的调节阀,阀体在设计 和选用时必须考虑温度和压力对材料机械强度的影 响 〔5〕 。热流耦合方法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,但计算过程复杂,耗时长。 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Therm al模块进行分析。采用单元为solid70, sw ich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表3。 表3 网格划分 单元名称单元数量 solid70438 109 surface15217 572 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M atlab对表4中数据进行拟合,拟合 曲线见图5。 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 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。还应加大散热面积,如把阀盖的直筒式 改造为散热片的形式。 表4 温度场数值模拟结果 温度 ℃ 对流系数 W / m2℃ 发射率 阀盖最高温度 ℃ 阀杆最高温度 ℃ 对流散热 W 辐射散热 W 热量总和 W 20061940019081101704112193712418222102346182 250712790192612613641291298169128352121521149 300715960193414017171441343214147515139729186 350718450194015314431571776262117716114978131 4008108901945167147317215152881529611311 249183 450812910195117811161831916333181 248151 58213 5008136601956190124219617793551351 585161 940195 82 阀 门 2009年第1期 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 a发射率 b对流系数 c阀杆、阀盖温度 d散热途径 图5 温度场数据拟合曲线 6 结语 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,但计算过程复杂,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 〔1〕 陶文铨.传热学 〔M〕.西安西北工业大学出版社, 2006.12. 〔2〕 祝效华,余志祥.ANSYS高级工程有限元分析范例精选 〔M〕.北京电子工业出版社,2004.10. 〔3〕 尚仁操,乔渭阳,许开富.气冷涡轮叶片气热耦合数值模 拟研究 〔J〕.机械设计与制造,2007,2 11 - 13. 〔4〕 关涛,刘晓燕,彭志刚.导热油管内强制对流换热系数的 计算 〔J〕.工业锅炉,2006,6 9 - 11. 〔5〕 何培堂,刘先东,张志军,等.高温阀门设计中的关键技 术 〔J〕.炼油与化工,2002,134 27 - 29. 收稿日期2008109103 书讯 阀门手册第二版 本书由中国石化出版社2005年出版发行,[美] Philip L1Skousen著,孙 家孔译。本书全面系统地介绍了阀门的基础知识、阀门种类和阀门应用等方面内容。具体内容包括阀门 介绍、阀门选用准则、手动阀门、控制阀、手动控制器和执行机构、灵活阀门及定位器、确定阀门尺寸、 确定执行机构尺寸和常见阀门问题等。本书可作为阀门使用维修人员以及设备管理和工程技术人员的工具 书,也可作为阀门设计人员和从事压力容器、管道设计人员的参考书。书号ISBN7 - 80164 - 896 -X,定 价55100元/册。 每册加收书价10的邮寄包装费,需要者,请与沈阳经济技术开发区开发大路15号沈阳阀门研究所 科技开发信息中心的尹玉杰联系,邮编110142,电话024 - 25653780。 E-m ail sfskkxzchinavalveinfo. net http / /www. chinavalveinfo. net 922009年第1期 阀 门 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载