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2011产品创新数字化峰会征文:热力管道热固耦合分析

发表时间:2011/11/17    作者:季景方  
本文讲述了热力输能管道热固耦合分析对热力管道的设计提供了依据,使得热力输能管道的设计更加的节能。本文以大型有限元分析软件ANSYS为工具,对其进行了分析。建立了用于模拟真实工况的有限元模型,以直接耦合和间接耦合两种方法进行分析,得到了变形的最大位移和等效应力。

1 引言

    热力输能管道在现实生活中起到非常重要的作用,例如暖气管道可以非常方便的为居民供暖,同时集体供暖可以节省能源,减少污染。但是暖气在传输的过程中存在热能的散失,同时还必须保证输能管道安全可靠。为了更好的设计出既节省能源同时又保证管道安全可靠的条件,采用大型有限元仿真软件对该模型进行了模拟,可以为管道的设计提供很好的参考。ANSYS软件可以很好的分析热固耦合问题,本文针对具体的事例,分析了热力输能管道的热固耦合分析方法。

2 热固耦合分析

    ANSYS进行热固耦合分析可以采用两种方法:间接法和直接法。间接法进行热固耦合包含两个主要的部分:

    (1)进行热分析,选取相应的热分析单元,进行求解;

    (2)将进行热分析的单元转化为结构分析单元,进行结构分析,必须注意的是要将第一步进行热分析的温度载荷结果加载到结构上。直接法进行热固耦合分析,选择的单元是耦合单元。间接法和直接法进行热固耦合分析的主要区别在于间接法选择的是两个单元类型,即热场用热场单元,结构场用结构单元,它们是分开的,而直接法进行热固耦合分析选择的是一个单元类型,选择的该单元包含了热场和结构场的性能和自由度。

3 热力输能管道实例

    3.1 问题分析

    热力管道输送温度为120℃的流体,外界空气的温度为25℃。为了减少热力管道在输能过程中能量的损失,需要在热力管道外层再加一层保温层,让保温层和外界空气直接接触,这样可以大大的减少热能的损失。流体与管道之间的表面传热系数为1200W/(m2.℃),保温管与外界空气之间的表面传热系数为2W/(m2.℃)。由于热力管道内部流体压力的影响,为了使得模拟更加接近实际工况,在管道内壁上加上均布压力,压力数值为0.5MPa。管道内径为32mm,管道外径为40mm,保温管的内径为40mm,外径为60mm。管道材料和保温管材料的性能参数如表1所示。

 

    表1 材料性能参数

    3.2 直接法进行热固耦合分析

    3.2.1 前处理

    对实际问题进行简化,可以得到如图1所示的几何模型。进行热固耦合的关键是选择合适的单元类型。经过分析,采用Vector Quad13这个单元对该问题进行求解。对建立的模型采用扫略方式进行网格划分,结果如图2所示。必须注意的是在划分网格之前需要给单元赋予属性。

 

    图1 模型图

    图2 划分网格后的图