一種基于ansys的確定管殼式廢熱鍋爐整體溫度場(chǎng)分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于ANSYS的確定管殼式廢熱鍋爐整體溫度場(chǎng)分布的方法，屬于 利用有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 管殼式廢熱鍋爐是一種對(duì)KKKTC以上高溫?zé)煔獾臒崮芑厥债a(chǎn)生蒸汽的設(shè)備。對(duì)高 溫?zé)煔馊肟趥?cè)管板要采取熱防護(hù)措施確保管板溫度分布不超過設(shè)計(jì)限定范圍。如果管板出 現(xiàn)超溫會(huì)對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患?？梢姕囟仁怯绊憦U熱鍋爐可靠性的重要的因素 之一。
[0003] 以往工程設(shè)計(jì)中大多采用簡(jiǎn)單公式加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來估算管板溫度，結(jié)果只能作為參 考。以往如果采用有限元法進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立完整的幾何模型非常 困難，往往建立局部簡(jiǎn)化模型進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，對(duì)影響溫度場(chǎng)的因素考慮不夠系統(tǒng)，不夠全 面，結(jié)果存在較大誤差，同時(shí)也無法得到完整的溫度場(chǎng)分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于ANSYS的確定管殼式廢 熱鍋爐整體溫度場(chǎng)分布的方法，具體是一種建立管殼式廢熱鍋爐整體有限元分析模型并進(jìn) 行溫度場(chǎng)分布數(shù)值確定的方法。該方法解決了不對(duì)稱結(jié)構(gòu)難以采用鏡像操作生成整體模型 的問題。同時(shí)通過參數(shù)化建模，自動(dòng)完成幾何建模、網(wǎng)格劃分、施加參數(shù)化邊界條件、求解、 后處理的全過程分析。在參數(shù)化的分析過程中可以修改其中的參數(shù)達(dá)到反復(fù)分析各種尺 寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高分析效率，減少分析成本。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種基于ANSYS的確定管殼式廢熱鍋爐整體溫度場(chǎng)分布的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :建立管殼式廢熱鍋爐的整體有限元分析模型；
[0008] 步驟2 :對(duì)管殼式廢熱鍋爐的整體有限元分析模型施加溫度邊界條件；
[0009] 步驟3 :求解溫度場(chǎng)；
[0010] 步驟4 :溫度場(chǎng)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)。
[0011] 所述步驟1中所述管殼式廢熱鍋爐的整體有限元分析模型的建立過程包括以下 步驟：
[0012] 步驟I. 1 :建立廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型；
[0013] 步驟1. 2 :對(duì)已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料導(dǎo)熱系數(shù)；
[0014] 步驟1. 3 :對(duì)已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料實(shí)常數(shù)；
[0015] 步驟1. 4 :對(duì)已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0016] 步驟1. 5 :由廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型中選擇需進(jìn)行鏡像操作的實(shí)體單元通過鏡 像操作生成廢熱鍋爐出口側(cè)幾何模型；
[0017] 步驟1.6 :廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型與出口側(cè)幾何模型進(jìn)行合并生成廢熱鍋爐整 體有限元分析模型。
[0018] 所述步驟2中施加溫度邊界條件的過程包含如下步驟：
[0019] 步驟2. 1 :耐火隔熱澆注料外表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括煙氣對(duì)流傳熱膜系 數(shù)及煙氣入口溫度；
[0020] 步驟2. 2 :陶瓷保護(hù)內(nèi)套管的內(nèi)表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括煙氣對(duì)流傳熱膜 系數(shù)及煙氣入口溫度；
[0021] 步驟2. 3 :換熱管內(nèi)表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括煙氣對(duì)流傳熱膜系數(shù)及煙氣 平均溫度，所述的煙氣平均溫度假定從換熱管入口至出口溫度均勻下降，按函數(shù)關(guān)系式在 換熱管內(nèi)表面施加；
[0022] 步驟2. 4 :煙氣出口側(cè)管板外表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括煙氣對(duì)流傳熱膜系 數(shù)及煙氣出口溫度；
[0023] 步驟2. 5 :換熱管外表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括鍋爐給水對(duì)流傳熱膜系數(shù)及 鍋爐給水平均溫度；
[0024] 步驟2. 6 :鍋殼筒體內(nèi)表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括鍋爐給水對(duì)流傳熱膜系數(shù) 及鍋爐給水平均溫度；
[0025] 步驟2. 7 :鍋殼筒體外保溫層外表面施加熱對(duì)流邊界條件，包括空氣對(duì)流傳熱膜 系數(shù)及環(huán)境溫度；
[0026] 步驟2. 8 :包括耐火隔熱澆注料、陶瓷保護(hù)外套管、陶瓷保護(hù)內(nèi)套管、換熱管、煙氣 入口側(cè)管板、鍋殼筒體、外保溫層和煙氣出口側(cè)管板的固體內(nèi)部及固體之間的熱量傳遞屬 于熱傳導(dǎo)，步驟1. 2中已給定了以上固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)；
[0027] 步驟2. 9 :對(duì)稱邊界的表面作為完全絕熱處理。
[0028] 所述步驟3中的求解溫度場(chǎng)為利用有限元分析軟件ANSYS中的求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài) 溫度場(chǎng)求解。所述管殼式廢熱鍋爐溫度場(chǎng)計(jì)算涉及到如下傳熱問題包括：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程。
[0029] (1)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間及一個(gè)物體的不同部分之間由于 溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律：
[0030]
[0031] 式中：q" 一熱流密度，w/m2
[0032] k為導(dǎo)熱系數(shù)w/m · °C
[0033] (2)熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱 量的交換。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述：
[0034]
[0035] 式中：q" 一熱流密度，w/m2
[0036] h-對(duì)流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、膜系數(shù)等），WAm2 · K)
[0037] Ts-固體表面的溫度，°C
[0038] Tb-周圍流體的溫度，°C
[0039] (3) ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示）
[0040] [K] {T} = {Q}
[0041] 式中：[Κ]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；
[0042] {Τ}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；
[0043] {Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成；
[0044] ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成[Κ]、{Τ} 以及{Q}。
[0045] 所述步驟4中溫度場(chǎng)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)過程包含如下步驟：
[0046] 步驟4. 1 :得到廢熱鍋爐整體溫度場(chǎng)分布；
[0047] 步驟4. 2 :得到廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及煙氣入口側(cè)管板厚度方 向溫度梯度變化曲線；
[0048] 步驟4. 3 :得到廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)沿管板厚度方向溫度梯度變化曲線；
[0049] 步驟4. 4 :將溫度梯度變化曲線與設(shè)計(jì)限定范圍比較評(píng)價(jià)溫度場(chǎng)分析結(jié)果。
[0050] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0051] 由于建立了管殼式廢熱鍋爐整體有限元分析模型，可以得到整體溫度場(chǎng)分布，了 解廢熱鍋爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況。通過對(duì)比不同參數(shù)下的計(jì)算結(jié)果可以確定最佳的管板耐 火隔熱澆注料材料性能及厚度、陶瓷保護(hù)套管的厚度與長度，定量分析管板熱防護(hù)措施的 效果。整個(gè)分析過程提高了分析效率，減少了分析成本，溫度場(chǎng)分析準(zhǔn)確度較高。
【附圖說明】
[0052] 圖1為管殼式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖
[0053] 圖2為廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型圖
[0054] 圖3為廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型放大圖
[0055] 圖4為廢熱鍋爐入口側(cè)幾何網(wǎng)格劃分圖
[0056] 圖5為通過鏡像操作生成的廢熱鍋爐整體有限元分析模型
[0057] 圖6為廢熱鍋爐整體有限元分析模型施加邊界條件示意圖
[0058] 圖7為廢熱鍋爐整體溫度場(chǎng)分布
[0059] 圖8為廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及管板厚度方向溫度梯度曲線（管 板轉(zhuǎn)角過渡處）
[0060] 圖9為廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及管板厚度方向溫度梯度曲線（管 板孔橋處）
[0061] 圖10為廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及管板厚度方向溫度梯度曲線 (管板管孔處）
[0062] 圖11為廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)管板厚度方向溫度梯度曲線（管板轉(zhuǎn)角過渡處）
[0063] 圖12為廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)管板厚度方向溫度梯度曲線（管板孔橋處）
[0064] 圖13為廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)管板厚度方向溫度梯度曲線（管板管孔處）
【具體實(shí)施方式】
[0065] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的詳細(xì)描述和說明。
[0066] 步驟1 :本實(shí)施例中根據(jù)管殼式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖（如圖1所示），利用APDL參 數(shù)化語言進(jìn)行幾何建模，建立管殼式廢熱鍋爐整體有限元分析模型。
[0067] 步驟I. 1 :先建立廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型。
[0068] 包括：廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)管板1、換熱管5、鍋殼筒體7、外保溫層6、管板熱防護(hù) 結(jié)構(gòu)（耐火隔熱澆注料3、陶瓷保護(hù)內(nèi)套管4、陶瓷保護(hù)外套管8)。
[0069] 入口側(cè)幾何模型取該廢熱鍋爐周向的四分之一，軸向的二分之一。
[0070] 建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型如圖2所示，局部放大圖如圖3所示。
[0071] 步驟1. 2 :對(duì)已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0072] 本實(shí)施例中各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。
[0073] 表1材料導(dǎo)熱系數(shù)
[0074]
[0075] 步驟1. 3 :對(duì)已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料的實(shí)常數(shù)。
[0076] 本實(shí)施例中定義的各種材料的實(shí)常數(shù)如表2所示。
[0077] 所定義的各種材料的實(shí)常數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算無實(shí)際物理意義，其目的僅僅是對(duì)各種 材料的實(shí)體單元進(jìn)行賦值編號(hào)，為下一步進(jìn)行鏡像操作生成廢熱鍋爐出口端幾何模型選擇 實(shí)體單元提供條件。
[0078] 表2材料實(shí)常數(shù)
[0080] 步驟1. 4 :對(duì)已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
[0081] 選擇8節(jié)點(diǎn)六面體熱分析單元S0LID70進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，本實(shí)施例中共劃分單 元290769個(gè)，共劃分節(jié)點(diǎn)472239個(gè)。
[0082] 廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型網(wǎng)格劃分圖如圖4所示。
[0083] 步驟1. 5 :由廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型中選擇需進(jìn)行鏡像操作的實(shí)體單元通過鏡 像操作生成廢熱鍋爐出口側(cè)幾何模型。
[0084] 由于出口側(cè)幾何模型沒有管板熱防護(hù)結(jié)構(gòu)（耐火隔熱澆注料3、陶瓷保護(hù)內(nèi)套管 4、陶瓷保護(hù)外套管8)，因此不能把廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型全部進(jìn)行鏡像操作生成出口側(cè) 幾何模型，而要選擇廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型中的廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)管