基于多物理場耦合的高溫摻合閥溫度場數值模擬研究

楊承帥 ，張希恒 ，張孫力 ，黃美林 ，金 虎 ，鄭榮部

（1.蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州 730050；2.浙江石化閥門有限公司，浙江溫州 325025；3.福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008；4.國家閥門產品質量監督檢驗中心（福建），福建泉港 362800）

0 引言

隨著科技的迅速發展，對于生產過程中所要求的產品的性能越來越高，而生產實踐的產品加工環境也往往更加苛刻，在高溫生產管線中，對于溫度的精準控制不僅能保證產品的安全生產，還肩負著保護操作人員生命安全的重要任務。而高溫調節閥在這一過程中扮演著不可或缺的角色，生產管線運行時正是通過調節閥對流通介質的流量、壓力、溫度等進行控制和輸出。

對于調節閥研究的不斷深入過程中，鄒攀等建立了調節閥三維模型，運用有限元分析軟件分析了該閥的薄膜應力、薄膜加彎曲應力等應力狀態，在應力最大處選取應力評定線進行等效線性化處理［1］，陳詩坤等利用ABAQUS軟件建立了主汽-調節閥三維有限元模型，得到主汽-調節閥在啟動過程中的瞬態應力場，將主汽閥測點位置溫度計算值與測量值進行了對比［2］，曹芳等建立調節閥流固耦合系統動力學模型，分析不同開度下流固耦合對流體速度和漩渦形成的影響，探討在大流量煤氣壓力作用下的閥芯和閥桿的等效應力分布以及變形情況，揭示了流固耦合對流場作用于閥芯壓力的影響［3］。以上都是關于常溫下調節閥強度的計算和研究，對于溫度場的涉及較少。本文利用計算流體力學軟件FLUENT和ANSYS WORKBENCH軟件中溫度場模塊進行多場耦合的方法探究流動介質在實際工況下對高溫摻合閥溫度場的影響，并根據理論計算公式對比驗證，得到實際應控制的最大流量和閥溫度場分布。

1 概述

柱塞式高溫摻合閥主要安裝于生產設備的出口管路上，是一種可以承受高溫，并根據實際需要調節來流高溫熱流的流量，結合進口的冷流實現對于出口混合流的溫度控制的一種截止類調節閥。該類閥門擁有氣動三通結構，冷端入口流入純凈空氣，溫度為160 ℃，熱端入口流入硫化氫、二氧化硫等含硫氣體，溫度高達1 430 ℃，出口處排放混合氣流，通過陶瓷質柱塞控制熱流段的流量大小，實現混合氣流溫度的精準控制和輸出［4］。

在工作情況下，高溫混合含硫氣體流經閥體，閥體承受著高溫及相應的由此引發的熱變形作用，因此對于閥體結構的合理設計關系著管線的安全性。

在傳統的對于高參數閥門的設計計算中，通常把經驗公式計算方法作為首選，采用該方法雖然計算便捷，過程較為簡單，可是涉及到的變量不多，在節省時間成本的同時卻也在精度上有所不及［5-6］。隨著科學技術的發展和產能的提高，有限元分析技術數值計算方法在這一潮流中興起，應用此種方法，通過不同物理場耦合的方式，可以根據不同的工況條件，實現對于閥門的流態，熱態的多元化模擬分析，將能夠大大地節省試驗成本和時間成本，還可以得出準確結果。

2 理論計算

本案例來源于某工程實踐，要求求解出所控制的熱流段來流的質量流量，實現出口處混合溫度降低為270 ℃左右。

所給條件：冷端進口介質為空氣，溫度160 ℃，質量流量1 190.3 m3/h，進口橫截面積為0.07 m2。熱流進口介質為含硫混合氣體，溫度1 430 ℃，熱流段橫截面積取0.013 3 m2，工作壓力0.045 MPa。

為了便于計算，理論計算過程將熱流進口介質設為純凈空氣，計算過程按照理想氣體計算。求解過程如下：

先將所給溫度轉換為開氏溫度得到冷流進口T1=433 K，熱流進口T2=1 703 K，混合流出口T3=533 K。

由理想氣體方程：

式中 Rg——空氣氣體常數，取Rg=287。

將冷流入口體積流量化為質量流量以便于計算，得：

能量守恒方程：

式中 qm——質量流量，kg/s；

cp—— 定 壓 比 熱 容，kJ/（kg·K），cp1=1.006 kJ/（kg·K），cp2=1.124 kJ/（kg·K）；

T ——溫度，K；

1，2，3 —— 下標，冷流進口、熱流進口、混合流出口。

代入數字計算得到熱流進口質量流量qm2=36.58 kg/h=0.01 kg/s。

由此，求解出了熱流段需要控制的最大質量流量，也解決了工程問題。

3 多物理場耦合數學模型

分析該閥的工作狀況可知，冷流入口段流入溫度相對較低的純凈空氣，熱流入口段流入高溫含硫混合氣體。為了使計算簡便，可以把氣體對閥門的輻射傳熱忽略掉，熱流段介質改為高溫空氣。冷進口段和混合段氣流均以熱對流的形式向閥體傳遞熱量，該熱量再通過熱傳導的方式傳遞給閥體外壁，此時通過與環境大氣的對流換熱進行熱量傳遞。對于熱流段，高溫氣流同樣通過對流換熱的形式將熱量傳遞給隔熱材料，隔熱材料和閥體之間的換熱形式依然屬于導熱的范疇，最終閥體外壁以對流傳熱的方式傳遞給環境［7］。因而對于閥體安全性問題設想的關鍵通常把流動，傳熱作為主要考慮的對象，是流場和溫度場耦合作用的結果，由于熱流段設有隔熱材料層，故對于出口段溫度場的計算是關鍵。

3.1 流體域數學模型

流體域流動應用標準模型，涉及到的方程包括連續性方程、動量方程、k方程、ε方程。

3.2 流體近壁面域的計算方法

由于閥體結構相對簡單，故對流體域的處理采用k-ε模型，該種算法可以直接求解邊界層的流動，節省計算時間，加快收斂速度。此時可以依據流體域邊界層的流動狀態獲得精確的邊界層內溫度分布［8-9］。

3.3 求解溫度場的計算方法

在流體域中，流動介質與閥體內壁面的接觸屬于對流換熱的范疇，而對流換熱遵循牛頓冷卻公式為：

閥門內部的傳熱遵循傅里葉導熱定律，因傳熱的動力是溫度差，而所傳遞的熱量完全源自于流動介質，故該流動屬于無內熱源的三維穩態流動。導熱問題的微分方程為：

式中 ρ ——材料密度；

c ——材料比熱；

λ——材料導熱系數。

穩態后任取一微元體進行熱分析，其熱力學平衡方程如下：

4 有限元模型的建立及網格劃分

4.1 SolidWorks建模

研究所用的模型來源于某工程項目部提供的二維圖紙，為了保障進行有限元分析時結果的高效性和準確性，根據其幾何形狀和結構特點采用SolidWorks三維建模軟件對該模型進行局部三維重建，所建模型只保留涉及到流道及閥體等關鍵性的部位，所得模型如圖1所示。

圖1 柱塞式高溫摻合閥三維模型Fig.1 3D model of plunger type high temperature mixing valve

4.2 流體域的抽取

為了滿足流體計算的先決條件，故將三維模型文件改成parasolid格式，該格式以x_t為后綴名，導入workbench平臺的DM模塊，進行反向建模，流體域抽取的工作。為了使計算結果更加精確和符合現實，故在流體域前后兩端添加管道，按照國家標準，在入口段添加流通直徑5倍長度的管道，在出口段添加流通直徑10倍長度的管道。抽取流體域模型如圖2所示。

圖2 流體域三維模型Fig.2 3D model of fluid domain

4.3 流體域網格劃分

以整個流體域為研究對象，將建好了的流體域模型導入專業網格劃分軟件ICEM CFD軟件進行網格劃分。在網格劃分過程中以結構化網格劃分方法對前后管道流體域進行網格劃分，這種類型網格的特點是能夠保證計算精度的前提下使得網格數量最少化，節省計算時間和計算資源。對于非管路段的流體域，則采用基于TGRID算法的四面體網格劃分方法劃分網格，這種類型網格的特點是能夠在同一個體上對不同結構特點的部位（如倒角、溝槽等）進行因地制宜的網格劃分，即可以依據不同位置處的特征劃分出合適的網格大小，對不同形狀的邊界有很好的適應性，但缺點是網格數量多，對計算機的要求較高［10-15］。故采用結構化與非結構化混合的網格劃分方法對模型流體域進行網格劃分。流體域網格如圖3所示。

圖3 流體域三維模型網格Fig.3 3D model grids of fluid domain

網格質量如圖4，5所示。

圖4 結構化網格質量Fig.4 Quality of structured grids

5 流場模擬及結果分析

5.1 邊界條件

將劃分的網格文件導入FLUENT軟件進行模擬分析，采用壓力基求解器，打開能量方程開關，湍流流動方程采用標準方程。計算過程所施加的邊界條件見表1。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

材料設置成純凈空氣，修改原有材料參數，將查得的數值賦予新建的材料屬性中，物性參數見表2。

表2 冷熱空氣物性參數表Tab.2 Physical parameters of cold and hot air

5.2 結果分析

閥內壓力分布如圖6所示，從圖中可以看出，流體域中壓力分布基本均勻，最大壓力分布位置仍然處于2個進口段部位，與初始設置值相差不大，熱流段的壓力在窗口處減小。

圖5 非結構化網格質量Fig.5 Quality of unstructured grids

圖6 流體域壓力分布Fig.6 Pressure distribution in fluid domain

閥內速度分布如圖7所示。從圖中可以看出，流體域中最大速度分布位置在熱流出口處，整體速度分布并不均勻，由于出流窗口較窄，截面積減小，熱流體在此處位置速度急劇升高，最大速度達到15.7 m/s，在窗口處有一定的射流現象，同時對比圖5壓力分布圖，由促使氣體流速改變的力學公式：

圖7 流體域速度分布Fig.7 Velocity distribution in fluid domain

可知：氣體在流動過程中流速增加，則壓力下降，在窗口處形成了噴管效應。閥體部分由于直徑較大，冷流體在主流區內整體速度分布較為均勻，同時出口段管路較長，混合流有充分的流域進行速度融合，故在近窗口段速度分布較不均勻，而在近出口段速度分布均勻。

閥內流體域溫度分布如圖8所示。從圖可以看出，流體域內部分布是不均勻的，最高溫度1 710 K，在出流窗口處生成了較大的溫度梯度。

圖8 流體域溫度分布Fig.8 Temperature distribution in fluid field

此處的溫度分布圖與速度分布圖相對應。對于熱流段流動介質來說，其在熱流窗口段流出與冷流介質相混合，焓值下降，若采用滯止參數，使入口條件簡化，即任何初速度不為零的流動可等效成從滯止狀態開始的流動。設初始焓值為h0，窗口處焓值為h1，速度為cf1，則有：

經后處理，讀取了管道出口處的混合溫度，大小為536.7 K，即263.2 ℃，與理論計算結果相近，側面驗證了模擬的準確性。

6 耦合溫度場模擬及結果分析

將流體分析的結果導入溫度場分析模塊，對閥體進行溫度場分析。

6.1 網格劃分

采用軟件自帶的網格劃分軟件ANSYS Meshing對閥的裝配體進行整體網格劃分操作，不同部分采用不同的網格劃分方法。對于熱流域部分的柱塞和結構簡單的隔熱部件采用結構化網格，而對于閥體這種復雜結構的零部件則采用非結構網格，保證計算速度的同時也能夠保證結果的準確性。閥整體網格如圖9所示。

圖9 閥整體網格Fig.9 Overall grid diagram of valve

6.2 設定邊界條件

根據上文提到的該閥在實際工作過程中的傳熱條件，在閥外壁給定大小為15 W/（m2·K）的對流傳熱系數，環境溫度22 ℃。同時導入已經計算過的流場分析結果，將流場中溫度分布的數據映射到熱流交換面的節點上，保證溫度耦合的準確性。導入的熱流耦合面的數據和溫度場邊界條件的設定如圖10，11所示。

圖10 熱流耦合面溫度分布Fig.10 Temperature distribution of heat flow coupling surface

圖11 溫度場邊界條件Fig.11 Boundary conditions of temperature field

6.3 耦合溫度場計算結果

在進行一系列的前處理過后，計算得到的溫度場如圖12～14所示。

圖12 閥內壁面溫度分布Fig.12 Temperature distribution of valve inner wall

圖13 閥外壁面溫度分布Fig.13 Temperature distribution of valve outer wall

圖14 隔熱件徑向溫度分布Fig.14 Radial temperature distribution of heat insulation part insulation part

通過分析溫度場模擬結果可以得到以下幾點結論：

（1）各區域溫度分布整體符合流場模擬的溫度分布結果，由于存在與空氣間的對流換熱，閥外壁面溫度低于內壁面溫度。

（2）通過分析隔熱件溫度分布曲線和徑向溫度分布圖可知，熱流入口段溫度梯度較大，沿徑向溫度區別明顯，說明隔熱件發揮作用，阻熱效果較強。

（3）由于閥整體長度較短，閥內混合段不足以完成熱流體和冷流體的溫度混合，且熱流體在窗口處有一定的射流現象，使得閥出口段上方溫度較高，下方與入口段差別不大。

7 結語

本文綜合考慮了實際工況條件下流場對于閥門溫度的影響，以理想氣體計算公式和能量守恒方程為依托求解質量流量，運用多物理場耦合的有限元計算方法模擬和驗證，得出了閥整體溫度場分布和隔熱件溫度分布曲線。

結果表明了計算結果的準確性，通過模擬的結果能夠準確、清晰地得到閥門工作條件下的各項狀態分布情況，對相關工程計算和閥門設計具有一定的指導意義。