基于ANSYS的低溫蝶閥模擬試驗與數據分析
運用ANSYS軟件對低溫蝶閥進行模擬試驗，在不影響原模型又便于在ANSYS中劃分高質量網格的基礎上，對低溫蝶閥原模型進行合理的簡化。首先，通過對ANSYS的一系列操作得出不同時刻的溫度分布云圖，然后對其溫度變化情況進行分析并進行總結。其次，改變對流換熱系數，對其所需的冷卻時間進行模擬計算，同時擬合出時間隨對流換熱系數變化時的三次多項式。最后，通過對低溫蝶閥的熱-結構耦合分析，得出閥門在低溫環境下運行的安全情況。
1、引言
隨著計算機技術和計算流體力學的不斷發展，近年來計算機數值模擬技術已成為產品研發中的一個重要輔助手段，數值模擬與分析也逐步開始應用于各類流體機械產品的設計與分析，國際上一些發達國家運用數值模擬與分析對產品進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、減少沖蝕磨損，盡量減少帶有盲目性的樣機制作，對其產品進行數值模擬研究，使其產品的結構和流道設計更趨合理。
在模擬過程中根據產品在工程應用中一些實際運行條件輸入一些經驗的或是理論的數據，進行模擬計算求出所要的各種場的分布，而模擬試驗的結果正確與否，要通過真實試驗結果來驗證，或用試驗結果對模擬模型進行修正。在沒有試驗設備的條件下通過模擬試驗也可對產品的性能有一個很好的預測。通過流場各種性能參數的模擬試驗結果與真實試驗數據的對比，可以評估所用模擬軟件對產品在特定條件下模擬結果正確性和可信度。為以后產品結構優化和改進設計提供良好的參考和指導，使產品的結構和性能更加優越。這里用ANSYS軟件進行低溫蝶閥的模擬運算分析。
2、模型及物性參數
2.1、建模與簡化計算模型
圖1為蝶閥的半剖示意圖，其公稱直徑為DN250，其在密封性試驗時處于關閉狀態。為了在試驗過程中減少跑冷損失，首先去掉圖1中的傳動裝置、傳動支架和接頭部分。對低溫蝶閥適當的簡化然后進行模擬，前提是不影響原來的模型，主要是去掉一些對結果沒有影響的倒角和盲孔里的錐底，這樣便于在ANSYS中劃分高質量網格。由于主要是針對蝶閥的閥體、閥板、閥桿及其與之關聯的部分進行模擬，所以簡化后的模型如圖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，為了避免溫度過低對填料函造成嚴重的影響，繼而影響閥門的正常操作，在設計時通過采用長頸閥蓋結構，使填料函遠離低溫介質，同時選用耐低溫的柔性石墨填料。柔性石墨是目前最優秀的密封材料之一。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、瞬態傳熱分析
瞬態傳熱是指一個系統在加熱或是冷卻過程中系統的熱流率、溫度、熱邊界條件以及系統內能隨時間變化的過程。根據能量守恒定律，瞬態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}為節點溫度向量；{T}為溫度對時間的導數；{Q}為節點熱流率向量，包含生成熱。
在具體的傳熱過程中，材料的物性參數、邊界條件與溫度有關時，此時的瞬態熱平衡表達式為：
[C(T)]{T}+[K(T)]{T}={Q(T)} (2)
3.1、ANSYS瞬態傳熱分析的主要過程
ANSYS瞬態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格。網格的單元邊長設定為0.001。
(2)施加載荷：定義瞬態熱分析的初始條件。定義邊界條件，在DifineinitialConditions對話框中，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間增量，根據線性傳導熱傳遞，可以按ITS=δ2/4α估計初始時間步長，其中δ為沿熱流方向熱梯度最大處的單元長度，α為導溫系數，α=K/(ρ·C)。
Time/Frequence選項的子選項Time-timestep中設置總時間為10800s(3h)，時間步為10s，最小時間步1s，最大時間步為250s，在stepped項中選擇ON。并設定自動時間選項為ON，以便于在求解過程中自動調整時間步長。
非線性選項每個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對模型進行后處理。
3.2、瞬態傳熱分析的結果與分析
利用POST1對圖2模型進行后處理，對流傳熱系數為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。
圖3 30s時溫度分布云圖
圖4 10308s時溫度分布云圖
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，低溫閥從環境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418℃需要10308s。閥板中心點處為低溫閥體的溫度最高點。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各點的溫度隨時間變化如圖5所示。
從圖5中可以看出隨著時間的變化，各點的溫度都在降低，在開始的3300s內溫度降低幅度比較大，換熱比較快。而在3300s之后各點的溫度降低幅度明顯減小，換熱比較慢。故而可以得出：隨著時間的推移，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內各點溫度的變化曲線
只改變對流傳熱系數，其它條件均不變。閥體從環境溫度降到閥體最高溫度-102.418℃，所需要的時間隨對流傳熱系數的變化如表1，圖6是其擬合曲線。
圖6 所需時間隨對流傳熱系數變化的擬合曲線
從而得到在不同的對流傳熱系數下閥體從環境溫度降到閥體最低溫度-102.418℃所需要的時間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題，也能解決與熱相關的耦合場作用問題，熱-結構耦合分析便是其中之一。ANSYS進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相互作用具有高度非線性時更具有優勢；對于不存在高度非線性相互作用的情況，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-結構進行分析。間接熱-結構耦合法是通過把第一次熱場分析的結果作為第二次應力場的載荷來實現兩種物理場的耦合。
間接耦合法分析的基本過程：
(1)熱分析：使用ANSYS熱分析的所有功能，在劃分網格時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，再次進入前處理。在這部分，通過相應的命令Switchelementtype/thermaltostructure把原來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。圖中黑色邊線為常溫下的狀態，云圖顯示了閥體在試驗條件下狀況。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
對低溫閥在新的測試環境下的降溫速度進行模擬試驗，確保試驗時低溫閥閥板中心達到試驗所要求的溫度，為低溫閥門的試驗提供一個冷卻時間參考，當對流傳熱系數為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時，低溫閥從環境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418℃需要10308s。同時擬合出同一低溫閥從環境溫度降到試驗溫度時所需要時間隨對流傳熱系數變化的多項表達式。通過熱-結構耦合對低溫閥在低溫條件下熱變形位移、熱應力分布進行模擬計算，應用模擬試驗可以預測閥門在低溫狀態下應力集中的區域，為設計人員對其進行優化設計提供參考依據。
