Ansys軟件應用于模擬鍋爐煙氣傳熱過程產生的若干問題分析

戚璦娜 劉蘭君 李海濤

商丘工學院（476000）

Ansys軟件應用于模擬鍋爐煙氣傳熱過程產生的若干問題分析

戚璦娜 劉蘭君 李海濤

商丘工學院（476000）

Ansys軟件應用運行過程中會由于模擬的對象不同導致出現問題不同，由此以多燃式常壓熱水鍋爐為例，分析處理各工作階段，即建模階段、劃分網格階段、求解前設置階段出現的問題，每個階段所用的軟件分別為Autocad、Workbench、Fluent。

Ansys軟件；建模；劃分網格；求解前設置

0 引言

鍋爐行業到了發展瓶頸期，研究鍋爐煙氣的傳熱過程對于改造鍋爐結構和行業進步起到重要的作用。ANSYS軟件模擬流體傳熱過程的運用較為廣泛，實際運用過程中往往由于操作不當或者其他問題出現計算錯誤，如模型創建不合格、網格檢查出錯等。

1 工作階段分析

1.1 創建模型

創建模型可采用軟件 Mechanical APDL Prouduct Lancher，創建復雜的模型比較麻煩，可采用軟件Solid work、Autocad、Gambit等。創建鍋爐模型比較復雜，采用軟件Autocad。繪制內徑0、外徑1 000 mm、長2 650 mm的圓柱體2個，編號1、2；繪制內徑0、外徑980 mm、長2 650 mm的圓柱體，編號3；繪制內徑0、外徑60 mm的圓柱體，編號4；繪制內徑0、外徑100 mm的圓柱體，編號5；繪制內徑0，外徑20 mm的圓柱體，編號6；繪制內徑280 mm，外徑為300 mm的圓柱體，編號7。調整為西南等軸測狀態，圓柱體3與1，同一側圓心重合，差集將3與1重合的減掉，變成內徑為980 mm和外徑為1 000 mm的圓柱殼體。繪制輔助線找到特殊重合點為基準點與圓柱體4、5、6、7重合，然后利用差集將多余部分減掉，并給這個空腔圓柱體兩端繪制端蓋。尺寸內徑為0，外經為980 mm,長度為15 mm的圓柱體，再用并集運算將端蓋與殼體合并為一個鍋爐殼體后復制一份。在西南等軸測視圖中顯示的平面圓上繪制輔助線，定位出V字型隔板的平面位置。先繪制出V字型隔板側平面，然后設置好傾斜面。操作過程中容易出現背向掃掠，設置UCS坐標考慮好傾斜角度以免超出鍋爐本體之外。繪制隔板后再設置隔板支柱，設置四個圓柱體在V字型隔板的下部起支撐作用，用布爾運算將隔板和支柱并集后與鍋爐殼體差集（如圖1所示），得到鍋爐本體模型。

圖1 V字型隔板

1.2 劃分網格

模型創建后輸出以英文命名為guolu.sat文件，打開workbench，進入界面后雙擊file→import→，找到guolu.sat文件，打開（如圖2所示）。選擇Toolbox下“Fluid Flow(CFX)”紅色框區，將此命令拖到Geometry位置后出現命令選項（如圖3所示）；雙擊上圖的Mesh后進入了網格劃分模塊 （如圖4所示）。單擊模型顯示區域的上方有一個Name selection菜單，在左側菜單樹里顯示出selection1、selection2、selection3、selection4名稱。將顯示出Slection子菜單重新命名，單擊右鍵后出現Insert菜單，選擇菜單Rename重新命名為inlet01、inlet02、out01、out02。單擊inlet01后單擊面選擇命令，選擇入口小圓面為入口1后在左側菜單樹下單擊No selection跳出Apply選項菜單，Apply后完成面的選取。依次選取面分別為 inlet02、out01、out02。單擊左側菜單樹的Mesh命令，單擊Update后網格劃分，或單擊Mesh命令下的generate mesh。網格問題顯示錯誤Patchconforming tetrahedron mesh failed possibly because of bad boundary mesh和錯誤A mesh could not begenerated using the current meshing options and settings.Hint：The problem geometry areas might have been highlighted.Switching to wireframe mode may make them more visible。主要因為邊界網格沒有細化，需調整網格尺寸的細節，單擊Mesh后選擇左邊側菜單樹Details of mesh,將Sizing展開修改Min size和Max face size后單擊update,至正確為止。單擊file后選擇Export為后綴為.msh文件，注意文件名為英語字符。

圖2 workbench界面

圖3 Geometry界面

圖4 網格劃分模塊

1.3 Fluent求解設置

1.3.1 網格檢查問題

有多種方法將劃分好的網格導入Fluent，在CFD內點擊 File菜單里的 Save projiect后關閉CFD回到Workbench界面，右鍵Mesh的Thansfer to new菜單創建新的Fluent Cell,在新的Fluent界面里右鍵Fluent下的Update進行更新后，單擊Set up后的Edit進入Fluent界面。或將Fluent打開進入界面，單擊File導入后綴為.msh文件進行求解。進入Fluent后首先要求對網格進行檢查，檢查方法是點擊 Mesh的 Check或者 General菜單里的Check命令，但是由于劃分網格時的問題會出現檢查失敗的情況，在信息命令操作區跳出Error：Mesh Check Failed。對于這種錯誤和誤差可以通過Mesh菜單下的Polyhedra的Convert Domain命令，然后進行檢查是否出現Mesh Check Failed。再次錯誤說明只是轉換多面體已經不能解決問題了，在信息操作區域輸/Solver/intilize/repair-wall-distance后回車，操作完畢單擊Check命令。出現無法檢查后單擊Fluent的左側菜單樹里的Solution命令，勾選Solution-Initialization中的hybrid initialization命令后左鍵initial。通過這些命令操作可以解決檢查失敗的問題。

1.3.2 求解設置

首先對求解器進行設置，選擇文件操作區域的Genneral的Solver命令，求解器的類型選擇以基于Density命令的，即本次流動基于密度的流動，Velocity Formulation選擇絕對速度。時間求解器類型選擇瞬態流動，考慮重力的影響，重力加速度定為Y方向為-9.81m/s2，Units設置為統一國標單位。

其次對模型進行設置，本次模擬的鍋爐煙氣傳熱，存在冷熱兩股流體溫度傳遞過程，單擊energy打開能量方程，傳熱過程存在兩相流體，熱煙氣與水，打開Multiphase進行多相設置根據經驗選擇K-e量方程作為求解的黏性方程，不存在熱輻射、換熱器等的問題，將Radiation、Heat-exchanger、Solidification and Melting、Acoustic關閉。由于存在水滴和煙氣的流動擴散所以將Discrete Phase打開，且煙氣組分的擴散對于溫度的傳遞有影響，需要考慮將Sepcies打開。模擬中鍋爐煙氣的傳熱過程存在流動與傳熱耦合問題，計算能量方程前可以先求解流動方程,然后打開能量方程，最終獲得問題的完整解。

3 結論

通過分析與處理，基本解決了鍋爐傳熱過程的模擬前期出現的問題，對于后續的物性參數、邊界條件、求解方法、求解控制參數、求解監控等根據煙氣的流動狀態和傳熱理論知識分析得最終模擬結果，對模擬結果進行處理，再與試驗數據進行分析得出所要的結論。