變徑管的數(shù)值傳熱模擬分析

徐鈺淶，劉思宇

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

管件是設(shè)備間相互連接的重要部件之一，具有連接、變向、控制等功能。變徑管可采用縮徑或擴(kuò)徑壓制等方法制造而成，通常應(yīng)用于管道需要變徑處，可以改變管道內(nèi)部流質(zhì)的流量、流速及壓力，避免管道無法承受規(guī)定的壓力而發(fā)生損壞，以此來滿足工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 模型預(yù)處理

ANSYS 是一種有限元分析軟件，可用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、熱、流體等的分析[1]。變徑管的三維模型可以由截面繞中心軸線旋轉(zhuǎn)一周而成（圖1），故可只取其截面進(jìn)行分析。本次在ANSYS 本體中進(jìn)行幾何模型的建立，采用PLANE55 平面熱單元進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格尺寸為1 mm。內(nèi)部流質(zhì)為水，壁厚為3 mm，泊松比為0.28，彈性模量為2.01011Pa，線膨脹系數(shù)為1.0110原6mm/，導(dǎo)熱系數(shù)為48.9 W/（m·），管內(nèi)溫度為100、壓力為0.4 MPa，管外溫度為15、壓力為0.1 MPa，環(huán)境溫度為12，高溫流質(zhì)置于管道內(nèi)部，低溫流質(zhì)置于管道外部，在此基礎(chǔ)條件下，對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)及溫差應(yīng)力分析，考慮其實(shí)際工況，在溫差應(yīng)力基礎(chǔ)上再進(jìn)行機(jī)械載荷的應(yīng)力分析。

圖1 變徑管三維模型

2 熱分析

熱分析主要是通過溫差產(chǎn)生的熱載荷進(jìn)而求出溫度分布場(chǎng)，因?yàn)椴牧系膫鳠嵝再|(zhì)與溫度之間存在一定的非線性關(guān)系，所以熱分析可以作為非線性分析的一個(gè)基本過程[2]。經(jīng)模擬計(jì)算得到溫度云圖（圖2、圖3），圖中變徑管的最高溫度分布在管道內(nèi)壁，而最低溫度卻分布于外壁，徑向溫度以均勻過渡方式由管道內(nèi)壁至外壁呈遞減變化，與實(shí)際工況相符。

溫度變化的快慢與方向稱為熱梯度，溫差與熱阻是影響熱梯度的兩個(gè)重要因素，其中熱阻是材料的固有屬性，而溫差依靠系統(tǒng)流程設(shè)定。從圖3 可以看出，熱梯度集中于收縮段，且最大熱梯度出現(xiàn)在同心異徑管內(nèi)壁收縮段首處與外壁收縮段末處，故此處的溫度變化較大。其原因?yàn)槭湛s段處的壓力大且流速整體呈遞增趨勢(shì)變化，對(duì)應(yīng)存在較大的熱應(yīng)力，會(huì)出現(xiàn)局部變形或破壞等缺陷，而最小熱梯度位置恰好與最大熱梯度位置對(duì)應(yīng)相反。

圖2 變徑管溫度

圖3 變徑管熱梯度局部放大

3 熱應(yīng)力分析

在熱分析基礎(chǔ)上，采用間接耦合法進(jìn)行應(yīng)力分析得到其熱應(yīng)力場(chǎng)[3]。在熱轉(zhuǎn)應(yīng)力分析的過程中，結(jié)構(gòu)單元改變，由PLANE55 轉(zhuǎn)化為PLANE182，設(shè)置求解前各物性參數(shù)，并將熱分析中求得的溫度場(chǎng)作為載荷施加于應(yīng)力分析中，定義求解的邊界約束條件，計(jì)算得到熱應(yīng)力云圖（圖4）?？梢缘弥毓艿缽较颍瑹釕?yīng)力從管道外壁至內(nèi)壁是逐漸增大的，與上述溫度的變化趨勢(shì)相符，而最大熱應(yīng)力發(fā)生于管道內(nèi)壁收縮段首處與管道外壁收縮段末處，與溫度梯度的變化趨勢(shì)相符。其原因?yàn)樵撎幍臒崽荻茸畲?，即溫差變化最大，故此位置易發(fā)生變形或損壞缺陷。

4 機(jī)械應(yīng)力分析

變徑管在實(shí)際工況下需要承受熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力，故模擬實(shí)際工況對(duì)其在熱應(yīng)力基礎(chǔ)上施加機(jī)械載荷進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分析，在熱應(yīng)力場(chǎng)的載荷施加條件下，對(duì)管內(nèi)外部分別施加0.4 MPa 的內(nèi)壓與0.1 MPa 的外壓，再重新計(jì)算求解得到機(jī)械應(yīng)力云圖（圖5），從圖中可以看出，最大機(jī)械應(yīng)力發(fā)生于管道內(nèi)壁收縮段首處與管道外壁收縮段末處，其原因?yàn)樵撎幩艿臒崽荻扰c壓力最大，且變徑管從入口至出口處的流速呈遞增變化趨勢(shì)，故此位置易發(fā)生破壞缺陷。

圖4 變徑管熱應(yīng)力

圖5 變徑管機(jī)械應(yīng)力

5 結(jié)論

通過對(duì)變徑管進(jìn)行傳熱特性分析可以得出，最高溫度分布在管道內(nèi)壁而最低溫度分布于外壁，徑向溫度以均勻過渡方式由管道內(nèi)壁至外壁呈遞減變化，而熱梯度卻集中于收縮段，且最大熱梯度出現(xiàn)在內(nèi)壁收縮段首處與外壁收縮段末處，最小熱梯度位置恰好與最大熱梯度位置對(duì)應(yīng)相反。熱應(yīng)力從管道外壁至內(nèi)壁是逐漸增大的，而最大熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力發(fā)生于管道內(nèi)壁收縮段首處與管道外壁收縮段末處，與溫度梯度的變化趨勢(shì)相符。