變徑管的數值傳熱模擬分析

徐鈺淶，劉思宇

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

管件是設備間相互連接的重要部件之一，具有連接、變向、控制等功能。變徑管可采用縮徑或擴徑壓制等方法制造而成，通常應用于管道需要變徑處，可以改變管道內部流質的流量、流速及壓力，避免管道無法承受規定的壓力而發生損壞，以此來滿足工藝系統的正常運行。

1 模型預處理

ANSYS 是一種有限元分析軟件，可用于實現結構、熱、流體等的分析[1]。變徑管的三維模型可以由截面繞中心軸線旋轉一周而成（圖1），故可只取其截面進行分析。本次在ANSYS 本體中進行幾何模型的建立，采用PLANE55 平面熱單元進行有限元分析，網格尺寸為1 mm。內部流質為水，壁厚為3 mm，泊松比為0.28，彈性模量為2.01011Pa，線膨脹系數為1.0110原6mm/，導熱系數為48.9 W/（m·），管內溫度為100、壓力為0.4 MPa，管外溫度為15、壓力為0.1 MPa，環境溫度為12，高溫流質置于管道內部，低溫流質置于管道外部，在此基礎條件下，對其進行溫度場及溫差應力分析，考慮其實際工況，在溫差應力基礎上再進行機械載荷的應力分析。

圖1 變徑管三維模型

2 熱分析

熱分析主要是通過溫差產生的熱載荷進而求出溫度分布場，因為材料的傳熱性質與溫度之間存在一定的非線性關系，所以熱分析可以作為非線性分析的一個基本過程[2]。經模擬計算得到溫度云圖（圖2、圖3），圖中變徑管的最高溫度分布在管道內壁，而最低溫度卻分布于外壁，徑向溫度以均勻過渡方式由管道內壁至外壁呈遞減變化，與實際工況相符。

溫度變化的快慢與方向稱為熱梯度，溫差與熱阻是影響熱梯度的兩個重要因素，其中熱阻是材料的固有屬性，而溫差依靠系統流程設定。從圖3 可以看出，熱梯度集中于收縮段，且最大熱梯度出現在同心異徑管內壁收縮段首處與外壁收縮段末處，故此處的溫度變化較大。其原因為收縮段處的壓力大且流速整體呈遞增趨勢變化，對應存在較大的熱應力，會出現局部變形或破壞等缺陷，而最小熱梯度位置恰好與最大熱梯度位置對應相反。

圖2 變徑管溫度

圖3 變徑管熱梯度局部放大

3 熱應力分析

在熱分析基礎上，采用間接耦合法進行應力分析得到其熱應力場[3]。在熱轉應力分析的過程中，結構單元改變，由PLANE55 轉化為PLANE182，設置求解前各物性參數，并將熱分析中求得的溫度場作為載荷施加于應力分析中，定義求解的邊界約束條件，計算得到熱應力云圖（圖4）。可以得知沿管道徑向，熱應力從管道外壁至內壁是逐漸增大的，與上述溫度的變化趨勢相符，而最大熱應力發生于管道內壁收縮段首處與管道外壁收縮段末處，與溫度梯度的變化趨勢相符。其原因為該處的熱梯度最大，即溫差變化最大，故此位置易發生變形或損壞缺陷。

4 機械應力分析

變徑管在實際工況下需要承受熱應力與機械應力，故模擬實際工況對其在熱應力基礎上施加機械載荷進行機械應力分析，在熱應力場的載荷施加條件下，對管內外部分別施加0.4 MPa 的內壓與0.1 MPa 的外壓，再重新計算求解得到機械應力云圖（圖5），從圖中可以看出，最大機械應力發生于管道內壁收縮段首處與管道外壁收縮段末處，其原因為該處所受的熱梯度與壓力最大，且變徑管從入口至出口處的流速呈遞增變化趨勢，故此位置易發生破壞缺陷。

圖4 變徑管熱應力

圖5 變徑管機械應力

5 結論

通過對變徑管進行傳熱特性分析可以得出，最高溫度分布在管道內壁而最低溫度分布于外壁，徑向溫度以均勻過渡方式由管道內壁至外壁呈遞減變化，而熱梯度卻集中于收縮段，且最大熱梯度出現在內壁收縮段首處與外壁收縮段末處，最小熱梯度位置恰好與最大熱梯度位置對應相反。熱應力從管道外壁至內壁是逐漸增大的，而最大熱應力與機械應力發生于管道內壁收縮段首處與管道外壁收縮段末處，與溫度梯度的變化趨勢相符。