基于熱流固耦合分析的冷熱流體管道熱應(yīng)力仿真分析

潘麗艷，葉 飛，萬法林，蔡可文，丁曉培，徐銀龍，孟 成

（江蘇東港能源投資有限公司，江蘇 連云港222000）

1 簡介

隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)中管道用量大幅增加，隨之帶來的管道熱疲勞問題成為各界學(xué)者研究的重要課題。模擬冷熱流體交混的管道熱疲勞問題對管道安全及各類工業(yè)生產(chǎn)工藝有著重要意義。

國內(nèi)外研究者廣泛采用ANSYS模擬研究冷熱流體交混現(xiàn)象，針對T型管道下游交混區(qū)的熱應(yīng)力分布進行數(shù)值分析，并利用實驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。NAⅠK-NⅠMBALKAR等[1]對T型管道開展了冷熱流體混合實驗（冷熱溫差為15 K），并使用k-模型進行了三維數(shù)值模擬，預(yù)測的管道下游區(qū)溫度場和速度場及溫度波動情況與測量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的趨勢一致。HⅠROTA等[2]研究了T型管道內(nèi)流體的速度場及溫度場并將流體可視化處理，實驗結(jié)果顯示蘑菇狀流體波動是由于流體速度波動引起的并在流動方向產(chǎn)生湍流熱混合。WALKER等[3]在前期T型管道實驗的基礎(chǔ)上進行了穩(wěn)態(tài)CFD計算，采用3種湍流模型，即k-模型、基于k-模型的SST模型和BSL雷諾應(yīng)力模型，通過修正k-模型中模型系數(shù)改善湍流擴散的速度曲線和濃度曲線。余匯濤等[4]利用大渦模擬模型對核電站中管道的熱疲勞問題進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)流體溫度的變化情況從管道中心向壁面呈非線性。HOWARD等[5-6]采用有限元方法預(yù)測冷熱流體交混現(xiàn)象對下游區(qū)管道壁面的溫度變化的影響，研究表明流體中溫度變化與管道壁面的溫度變化密切相關(guān)，并提出非常有必要研究T型接頭處的溫度波動。

綜上所述，國內(nèi)外對T型冷熱流體交混管道的相關(guān)研究主要集中在管道下游區(qū)部分，對上游區(qū)管道溫度分布、熱應(yīng)力分布及流體速度分布研究鮮有涉及。而該位置同樣受熱應(yīng)力影響，有形變發(fā)生；此外，管道結(jié)構(gòu)壓力受流體壓力、溫度共同作用，因此分析管道所受熱應(yīng)力的過程必須充分考慮熱—流—固（溫度、流體、固體管道）三者之間的耦合作用，提高仿真研究的準(zhǔn)確性與適用性。

針對以上問題，本文以T型管道內(nèi)冷熱流體交混過程中上游區(qū)管壁及流體為研究對象，綜合考慮溫度載荷及壓力載荷對管道熱應(yīng)力的影響，結(jié)合熱-流-固耦合模型開展穩(wěn)態(tài)計算。通過設(shè)置流體的不同壓力、溫度及耦合載荷，定性和定量分析上游區(qū)管道的熱應(yīng)力及溫度波動。流體溫度和壓力載荷到結(jié)構(gòu)分析的轉(zhuǎn)換是通過Workbench[7-8]實現(xiàn)的。研究結(jié)果可為T型管道內(nèi)冷熱流體交混初期接口處上游區(qū)的安全裕度及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

2 物理模型

T型管道及內(nèi)部流體的物理模型如圖1所示。熱流體管道橫截面直徑為50 mm，壁厚為5 mm，長480 mm，熱流體沿z軸的負(fù)方向流動；冷流體管道橫截面直徑為45 mm，壁厚為5 mm，長160 mm，冷流體沿x軸的負(fù)方向流動，與熱流體混合后冷流體沿z軸的負(fù)方向流出。在數(shù)值模擬中，x、y、z軸的方向如圖1所示。為方便觀察管道內(nèi)部流體交混情況，將管道及流體設(shè)置對稱面，本文中所有數(shù)值模擬都以該對稱區(qū)為計算區(qū)，基礎(chǔ)坐標(biāo)為水平中線和豎直中線的交叉點。

圖1 T型管道物理模型

3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬主要包含3部分模塊，即Fluent、Thermal、Structure。利用流體分析模塊計算流體的壓力場和速度場，利用熱分析模塊計算流體和管道的溫度場，結(jié)構(gòu)分析模塊主要用于求解管道所受的熱應(yīng)力。流體與固體之間的耦合面必須完全匹配，保證壓力載荷和溫度載荷準(zhǔn)確地作用于結(jié)構(gòu)分析中，F(xiàn)luent的輸出流體分析結(jié)果作為熱分析和結(jié)構(gòu)分析的輸入，同時，熱分析結(jié)果也作為結(jié)構(gòu)分析的輸入。

3.1 T型管道網(wǎng)格劃分

在Workbench平臺中建立T型管道實體模型，流體區(qū)域由填充函數(shù)建立，為三維粘性流體，運動規(guī)律符合三維N-S方程。本文中所有網(wǎng)格采用四面體劃分，網(wǎng)格平均單元尺寸為1.0 mm，固體、流體及局部放大細(xì)節(jié)如圖2所示。固體膨脹層設(shè)置2層，邊界層第一格柵的厚度為1 mm，網(wǎng)格生長因子設(shè)置為1.1，共生成節(jié)點45 805個、180 919個網(wǎng)格。

圖2 網(wǎng)格劃分

3.2 耦合分析的邊界條件

采用FLUENT軟件模擬熱交混現(xiàn)象，邊界條件設(shè)置如表1所示。為獲得管道中的速度分布并消除入口效應(yīng)的影響，將固體端面與流體端面設(shè)置相同的溫度。建立管道約束條件，x、y方向自由膨脹，z方向為位移約束。設(shè)置管道外壁與空氣接觸面為自由換熱，壓力邊界條件為環(huán)境壓力。

表1 管道及流體邊界條件設(shè)置

4 結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)格分析

5個監(jiān)測點的網(wǎng)格分析如表2所示，為測試網(wǎng)格密集程度對管道等效壓力的影響，在主管道下游區(qū)選取5個監(jiān)測點設(shè)置4種工況來比較不同網(wǎng)格數(shù)量對應(yīng)的等效應(yīng)力。每個點間隔20 mm，從稀疏到密集5種網(wǎng)格劃分進行比較。網(wǎng)格分析如圖3所示。從圖中可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)從18萬增加到88萬，5個監(jiān)測點等效應(yīng)力變化很小，在2%以內(nèi)。為了兼顧仿真精度及求解效率，本研究采用295 968個網(wǎng)格展開計算。

表2 5個監(jiān)測點的網(wǎng)格分析

圖3 網(wǎng)格分析結(jié)果

4.2 管道應(yīng)力場及溫度場分析

本節(jié)對管道內(nèi)熱端流體溫度分別為150℃、280℃，冷端溫度為20℃的2種工況展開對比研究。其中熱端溫度為280℃的T型管道為核工業(yè)中常用工況，為對比不同溫度對管道熱應(yīng)力的影響，本文另外設(shè)置一組熱端溫度為150℃的耦合分析。不同熱端溫度下最大等效應(yīng)力如圖4所示，主管與支管未交混部分壓力較小，高壓區(qū)位于冷熱流體交混初期區(qū)域附近。因此，該區(qū)域的管道最有可能出現(xiàn)熱疲勞現(xiàn)象。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，在不同溫度條件下，雖然高壓區(qū)壓力分布基本相同，但壓力值差距較大，介質(zhì)溫度對T型管道壓力影響很大。

圖4 不同熱端溫度下最大等效應(yīng)力（單位：MPa）

冷熱流體交混區(qū)下游速度矢量分布情況如圖5所示，從圖中可知，交混初期流體速度波動最大。即使熱流體溫度不同，圖5（a）、5（b）中可以清晰觀察到在交混的下游區(qū)，冷流體有完整的漩渦，流速基本為0，并且回旋一周后與熱流體交混。這是由于冷流體的粘滯作用強于熱流體，因此在流體交混初期，冷流體部分流動基本停滯，混合部分加速運動，從而產(chǎn)生漩渦。

圖5 不同溫度下流體速度矢量分布圖

冷熱流體交混后對稱面溫度場（z-x平面）分布情況如圖6所示。冷熱流體在交混初期由于溫差過大造成嚴(yán)重沖擊，而且冷流體雷諾數(shù)較低，冷熱流體開始不完全混合。冷熱流體交混后，熱混合層的厚度可達到管道高度的60%左右，這表明冷流體和熱流體受到彼此強烈沖擊而快速混合。由于混合流體與熱流體之間的相對密度差較小，導(dǎo)致混合流體進入主管道時表現(xiàn)出向管道底部傾斜的趨勢。

圖6 不同熱端溫度下流體溫度場分布

4.3 熱-流-固耦合作用下管道最大等效應(yīng)力分析

最大等效應(yīng)力直接反應(yīng)整個T型管道的應(yīng)力水平，因此管道安全經(jīng)常由最大等效應(yīng)力來判斷。本節(jié)中，針對T型管道內(nèi)冷熱流體交混初期上游區(qū)在壓力載荷、溫度載荷、壓力及溫度復(fù)合作用下進行了研究。本文中設(shè)置冷、熱流體管道中心線交叉點為初始坐標(biāo)點，軸向和混合區(qū)域的不同截面位置的等效應(yīng)力分布圖如7所示。在冷熱流體交混下游區(qū)出現(xiàn)最大熱應(yīng)力之前，在上游區(qū)接口處首先出現(xiàn)應(yīng)力集中，由圖4和圖7可以看出集中區(qū)的熱應(yīng)力大小都在102量級。最大等效熱應(yīng)力均在700 MPa以上。這是由于在管道軸向方向存在位移約束（UZ=0），冷熱流體交混現(xiàn)象循環(huán)進行導(dǎo)致管道自由膨脹，使管道產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。

圖7 在x-y平面最大等效應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖7可知，同一位置管道內(nèi)壁的等效應(yīng)力明顯大于外壁的等效應(yīng)力。因此，在施工和鍛造過程中需多加注意內(nèi)壁性能，避免因熱應(yīng)力較大而造成損壞。

5 總結(jié)

本文利用有限元法分析了冷熱流體交混管道接口處上游區(qū)的速度場與溫度場，綜合考慮溫度場和流場獲得了不同工況條件下的熱應(yīng)力場，著重研究了耦合作用對管壁最大等效應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，冷熱流體混合后，熱混合層的厚度可達到管道高度的60%左右，這表明冷流體和熱流體受到彼此強烈沖擊而快速混合，隨著流體流動，熱混合層繼續(xù)發(fā)展。冷熱流體交混初期，由于冷熱流體密度重力的不同，冷流體受到熱流體的快速沖擊產(chǎn)生一簇完整的漩渦。仿真結(jié)果表明冷熱流體交混下游區(qū)產(chǎn)生最大熱應(yīng)力之前，在T型管道接口處上游區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生過大熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。