基于熱流固耦合分析的冷熱流體管道熱應力仿真分析

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

隨著中國經濟快速發展，工業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生產工藝有著重要意義。

國內外研究者廣泛采用ANSYS模擬研究冷熱流體交混現象，針對T型管道下游交混區的熱應力分布進行數值分析，并利用實驗數據驗證數值分析的準確性。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-模型進行了三維數值模擬，預測的管道下游區溫度場和速度場及溫度波動情況與測量數據呈現的趨勢一致。HⅠROTA等[2]研究了T型管道內流體的速度場及溫度場并將流體可視化處理，實驗結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生湍流熱混合。WALKER等[3]在前期T型管道實驗的基礎上進行了穩態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雷諾應力模型，通過修正k-模型中模型系數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值模擬，發現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]采用有限元方法預測冷熱流體交混現象對下游區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，并提出非常有必要研究T型接頭處的溫度波動。

綜上所述，國內外對T型冷熱流體交混管道的相關研究主要集中在管道下游區部分，對上游區管道溫度分布、熱應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力影響，有形變發生；此外，管道結構壓力受流體壓力、溫度共同作用，因此分析管道所受熱應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，提高仿真研究的準確性與適用性。

針對以上問題，本文以T型管道內冷熱流體交混過程中上游區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力的影響，結合熱-流-固耦合模型開展穩態計算。通過設置流體的不同壓力、溫度及耦合載荷，定性和定量分析上游區管道的熱應力及溫度波動。流體溫度和壓力載荷到結構分析的轉換是通過Workbench[7-8]實現的。研究結果可為T型管道內冷熱流體交混初期接口處上游區的安全裕度及結構設計提供依據。

2 物理模型

T型管道及內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軸的負方向流動，與熱流體混合后冷流體沿z軸的負方向流出。在數值模擬中，x、y、z軸的方向如圖1所示。為方便觀察管道內部流體交混情況，將管道及流體設置對稱面，本文中所有數值模擬都以該對稱區為計算區，基礎坐標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 數值模擬

數值模擬主要包含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，結構分析模塊主要用于求解管道所受的熱應力。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確地作用于結構分析中，Fluent的輸出流體分析結果作為熱分析和結構分析的輸入，同時，熱分析結果也作為結構分析的輸入。

3.1 T型管道網格劃分

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

圖2 網格劃分

3.2 耦合分析的邊界條件

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

表1 管道及流體邊界條件設置

4 結果分析

4.1 網格分析

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

表2 5個監測點的網格分析

圖3 網格分析結果

4.2 管道應力場及溫度場分析

本節對管道內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型管道為核工業中常用工況，為對比不同溫度對管道熱應力的影響，本文另外設置一組熱端溫度為150℃的耦合分析。不同熱端溫度下最大等效應力如圖4所示，主管與支管未交混部分壓力較小，高壓區位于冷熱流體交混初期區域附近。因此，該區域的管道最有可能出現熱疲勞現象。經對比發現，在不同溫度條件下，雖然高壓區壓力分布基本相同，但壓力值差距較大，介質溫度對T型管道壓力影響很大。

圖4 不同熱端溫度下最大等效應力（單位：MPa）

冷熱流體交混區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，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重沖擊，而且冷流體雷諾數較低，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，導致混合流體進入主管道時表現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力分析

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

圖7 在x-y平面最大等效應力分布（單位：MPa）

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

5 總結

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力場，著重研究了耦合作用對管壁最大等效應力的影響。結果表明，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，熱混合層繼續發展。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生一簇完整的漩渦。仿真結果表明冷熱流體交混下游區產生最大熱應力之前，在T型管道接口處上游區已經產生過大熱應力和熱應變。