保温热力管有限元热固耦合分析
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制管道系统中的流固耦合振动是一种常见的动力学现象，对于系统的安全性和可靠性具有重要影响。
因此，对管道系统的流固耦合振动进行分析和控制是非常必要的。
本文将介绍管道系统的流固耦合振动的基本原理、分析方法和振动控制技术，并分析其在实际应用中的一些问题和挑战。
一、流固耦合振动的基本原理管道系统的流固耦合振动是指在流体通过管道时，由于流体与管道壁之间的相互作用，产生的流固耦合振动。
其基本原理可以通过流体力学和结构力学的分析来解释。
在流体力学方面，流体在管道中流动时会产生压力波动，这些波动会传播到整个管道系统中，引起管道壁的振动。
而在结构力学方面，管道壁的振动会引起流体内部的压力波动，形成一个闭环的流固耦合振动系统。
二、流固耦合振动的分析方法为了对管道系统的流固耦合振动进行准确的分析，可以采用两种主要的方法：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数学建模和计算机仿真来模拟管道系统的流固耦合振动。
其中，计算流体力学（CFD）方法可以用来模拟流体流动，有限元法（FEM）可用于模拟管道振动。
通过将这两种方法耦合起来，可以得到较为准确的流固耦合振动特性。
2. 实验测试方法实验测试方法是通过搭建实验平台来进行流固耦合振动的测试。
通过在实验平台上设置不同的工况和参数，可以获取管道系统的振动响应。
常用的测试方法包括压力传感器、加速度传感器等。
通过实验测试，可以获取系统的振动特性，并验证数值模拟结果的准确性。
三、振动控制技术为了降低管道系统的流固耦合振动，需要采取一些有效的控制手段。
目前常用的振动控制技术有两种：被动控制和主动控制。
1. 被动控制技术被动控制技术主要包括减振器和阻尼材料的应用。
减振器可以通过改变系统的固有频率或阻尼特性来吸收振动能量，从而减小振动幅值。
阻尼材料可以通过吸收或传导振动能量来减小系统的振动响应。
2. 主动控制技术主动控制技术则是通过在系统中添加控制器和执行器来主动调节系统的振动响应。
流固耦合下传热管的模态分析
管模态 的影 响 ，对于 正确 的传热 管模 态分 析 ，从而 得 到其 固 有 频 率 以及 相 应 的模 态振 型 十 分 重 要 。
由 于频 率 和各 阶 模 态 作 为 结 构 的 固 有 特 性 只 与 结 构 自 身有关 ，对 于传 热管来说 ，其 固有特性 只与传热 管 的壁 厚 、管 径 、管长 、结构材 料 以及其 上 的约束 形式 相关 。但 是 又 由于 管壳侧 和管侧 的流体则会 对传 热管产 生一个 附加质 量 ，该 附 加质量 出现在结构振 动方程 中的质量矩 阵一项 里 ，从而直 接 影 响 结 构 的 固有 频 率 。其 它 的 因素 ，如 温 度 、介 质 流 速 、介 质 压力等都是 以它 们在 结构上 产生 的预 应力 的形 式来 影响 传 热管模态 的。ＣＦＲ蒸汽发生器传热管 壳侧是 高温 的液态钠 ， 管侧是高温高压 的水 蒸汽 。因此必 须考 虑两 侧介 质产 生 的
ｍ爻＋ｃ ＋ｋｘ＝ｆ（ｘ）
（１）
其 中 ｆ（Ｘ）是外力载荷 ，将式 （１）按照 一定 的形式合 成 以
２０１ ８ 年 第 １ ７ 卷 第 １ ２ 期
流 固耦 合下传热管 的模态分析
口祁 文静 张 程 许 义 军 杜 爱兵
【内容摘 要】正确分析 出传热 管工作 的真实环境 ，对 于传 热管的模 态计算 十分关键 ，从 而为防止共振发 生的抗振 计算提供数 据 支持 。本 文 利 用 有 限 元 软 件 ＡＤＩＮＡ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ中的 Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／Ｍｏｄｅｓ模 块 对 三 种 不 同 支撑 形 式 下 的 蒸 汽 发 生 器 样 机传热 管的前 １０阶模 态进行计算分析 ，结果发现 当只考虑 壳侧 单相液 态金 属钠 的情 况下计算得 到 的传 热 管固有 频率要低 于在 空气中的；且流 固耦合产 生的 附加 质量对 三种 不 同支撑 形式 下的传 热管各 阶频 率 产生的影 响很相 近 ，都 在 ６．３％ 左 右 。
直埋热水供热管道折角热-力耦合有限元分析
针对市政道路下直埋热水管道折角受力问题，采用通用有限元软件ANSYS，基于土弹簧模型建立了热-力耦合有限元模型，对直埋热水管道折角的应力分布特性和影响因素进行分析研究。
直埋热水供热管道折角热-力耦合有限元分析长安大学/江超官燕玲西安市热力总公司/石娟玲曹宏麟折角是直埋供热管道设计和施工中最难处理而又不可避免的薄弱环节。
道路渠化、竖向变坡、障碍物影响都会导致管道出现折角。
由于折角在结构上的不连续性，会在不连续处形成应力集中，从而产生很高的局部峰值应力。
周围土壤的束缚进一步限制折角的横向位移，使得折角受力情况进一步恶化。
CJJ/T81-2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》给出了可视为直管段的最大折角，但是受工程实际情况限制，出现的折角很难控制在规定的角度范围内。
这样必须确定折角的应力条件，进行疲劳分析，以确定如何采取保护措施。
规程没有针对折角给出验算方法，这给直埋供热管道应用带来很大困难。
目前，将大折角处理成多个小折角能否将峰值应力降低到所允许的范围内，有待进一步研究。
罗维采用弹性抗弯铰法分析0~15°小角度转角管段的应力，弹性抗弯铰简化方法是否能够用于大管径管道折角的应力分析，未见相关文献给出结论性分析。
Fonseca等针对承受平面弯矩的弯管采用有限曲管单元进行模拟，模拟对象仅限于架空管道承受弯矩的情况。
本文针对市政道路下直埋热水管道折角受力问题，采用通用有限元软件ANSYS，基于土弹簧模型建立了热-力耦合有限元模型，对直埋热水管道折角的应力分布特性和影响因素进行分析研究。
1折角管段热-力耦合模型1.1折角管段的几何特点图1（a）为管道定线确定的管道走向。
定线形成的这一折角，常用连接方法有两种：一种是直接对焊（图1b），另一种是采用小角度弯头连接（图1c、图1d）。
小角度弯头连接因弯头曲率半径不同所连接出来的结果也不同。
弯头曲率R一般以管径D的倍数表示。
图1（b）的直接对焊连接的曲率半径视为0D。
基于有限元方法的流固耦合分析研究
基于有限元方法的流固耦合分析研究随着人们对材料和结构性能的需求不断提高，流固耦合问题研究越来越受到关注。
流固耦合分析主要研究流体流动与固体变形之间的相互作用和耦合效应。
在流固耦合分析中，有限元方法成为最常用的分析方法之一。
本文将从三个方面对基于有限元方法的流固耦合分析进行讨论。
一. 基本原理在流固耦合分析中，有限元方法起到了至关重要的作用。
在有限元方法应用中，流场模拟和固体变形分析的研究已经非常成熟。
但是，在将流场和固体变形结合起来进行研究时，需要考虑流场对固体进行的压力和剪切载荷以及固体对流体流动的影响。
这是一种非线性问题，需要进行高效的数值分析.有限元方法的基本原理是将运动的物体划分成有限个小部分，然后用有限元模型离散处理每个小部分，通过简单的微分方程组成了均衡方程，然后使用数值法求解。
这种方法是一种数值分析方法，主要用来解决固体强度、稳定性、弹性和塑性分析问题。
同时，它还能够被用于研究流体流动、热传递和电磁场问题的解决方案。
二. 动力学中的应用在动力学中，有限元方法是一种广泛应用的方法，可以帮助人们准确预测材料和结构的力学性能。
基于有限元方法的流固耦合分析使得我们能够更为准确地预测材料结构的变形。
通过对其物理和机械属性的模拟，我们能够更好地了解物体的反应和行为。
流固耦合分析可用于模拟一般材料和技术性成分的结构，如飞机飞行时飞行表面的变形，以及汽车发动机在运行时的振动和变形。
同时，它还可以用于研究核反应堆的材料和组件，以及火箭发动机的设计。
三. 工业中的应用有限元方法的工业应用很广泛。
对于自动化工业而言，这种方法可以减少费用和时间，同时提高产品的质量。
例如，有限元模拟可以使用软件来模拟产品的变形，如汽车的碰撞试验，振动，加速度等。
有限元方法还可以用于模拟钢铁、铝和塑料的加工，同时还可用于气动设计和水动力学分析。
总结：流固耦合分析是一项复杂的工程技术，而有限元方法则是一种解决流固耦合问题的重要方法。
有限元热力耦合详细步骤
第22章热－应力耦合分析实例温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。
特别在进行各类燃机的部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。
各类输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。
另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力分布的变化。
为此，本章通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。
22.1 问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图22.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表22.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。
图22.1 双层管道的截面图表22.1 材料性能参数表材料编号热导率(W/mm. o C)弹性模量(MPa) 泊松比热膨胀系数(－o C-1)1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 10.3 2 (铝) ,外层0.152 0.63E50.33 20.7从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，可以采用轴对称方法来进行分析。
同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。
因为管道为无限长，故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。
下面我们将首先建立有限元模型，进行稳态热分析，并观察分析其沿径向的温度分布情况。
然后将模型中的热单元类型转换成对应的结构分析单元类型，重新定义材料的力学性能参数，并将热分析的结果以体载荷的形式施加到模型中，定义合理的边界条件，进行结构静力求解。
最后，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力分布情况。
22.2 建立模型在ANSYS6.1中，首先通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。
外墙外保温系统温度应力的有限元分析
外墙外保温系统温度应力的有限元分析外墙外保温系统是一种常见的建筑保温方式，该系统采用在建筑外墙表面安装保温材料，并通过外墙保温板与建筑外墙形成一个气密的隔热层，从而起到保温隔热的作用。
然而，在外墙外保温系统中，由于不同材料之间的热膨胀系数不同，长期使用会产生温度应力，导致系统出现破坏甚至失效的风险。
因此，本文将对外墙外保温系统温度应力进行有限元分析。
一、有限元分析原理有限元分析是一种工程分析方法，其基本原理是将连续体划分为有限数量的子元素，并在每个子元素上建立一个数学模型。
该方法利用计算机程序对这些子元素进行数学模拟，以预测物体在力的作用下的行为。
当物体受到力的影响时，数值分析程序会计算各元素上的内部应力和变形，从而预测物体的行为。
二、外墙外保温系统结构外墙外保温系统一般由保温层、保护层及其他构件组成。
保温层采用一定的保温材料，常见的材料有聚苯板、聚氨酯板、挤塑板等，其厚度通常在20-100mm之间。
保护层通常采用石材幕墙、纤维水泥板、涂料、铝板等，其主要作用是保护保温层和增强墙体的整体性能。
其他构件包括基层处理、收口处理、界面层等。
三、温度应力的产生原理在建筑外墙表面采用外保温系统时，在保温层和保护层之间会形成一个空气隔热层，在内层墙体和外层保温板之间也会形成一个空气隔热层。
由于保温材料和保护层的热膨胀系数不同，当温度发生变化时，它们之间的长度会发生差异，从而产生应力。
特别是在较大的温度变化下，外墙外保温系统中会产生较大的温度应力。
四、有限元分析步骤在进行有限元分析时，需要进行如下步骤：1.建立有限元模型：根据外墙外保温系统的结构和材料特性，建立相应的有限元模型。
2.定义材料性能：根据外墙外保温系统中使用的材料的特点，定义相应的材料性能。
3.定义边界条件：将外墙外保温系统与环境连接处的温度等边界条件定义好。
4.求解方程：利用计算机程序求解有限元方程。
5.分析结果：对分析结果进行分析，得到温度应力分布情况。
保温热力管有限元热固耦合分析
第２ ７卷第 ２期
［ 章编 号 ］６３— ９ ４ ２ １ ）２一ｏｏ ０ 文 １７ ２４ （０ １０ ０５－ ６
保温 热 力管有限元热 固耦 合分析
王旭 飞 ， 刘菊蓉
（ 陕西理工学 院 机 械工程学院 ， 陕西 汉 中 ７ ３ ０ ） ２ ０３
［ 关 键 词 ］ 热 力 管 ； 保 温 层 ； Ａ Ｓ Ｓ 热 固耦合 ＮＹ ；
［ 中图分类号 ］ Ｔ １ Ｋ１
［ 文献标识码 ］ Ａ
在热能、 化工和机械等工程领域 ， 常常用热力管道进行载热介质 （ 液体或气体 ） 的传递。选用金属 材料制造的热力管道具有较高的强度和寿命 ， 但是金属材料都具有高的导热系数 ， 特别是在远距离强制
收稿 日期 ：０ １ ２—１ ２ １ —０ ６
基金项 目： 省科 技计划项 目（０９ ０ － ８ ； 陕西 ２０ Ｋ ９ ０ ） 陕西省教 育厅重 点实验 室科研 项 目（８Ｚ７ ； ０Ｊ１ ）陕西 理工学 院科研基金
项 目（ Ｌ Ｙ ０—１ Ｓ ＧＫ １ ３和 Ｓ Ｇ ９ ２ 。 Ｌ ００ ）
对流传热的情况下 ， 热力管道散热所造成的经济损失相当大。为了防止热力管道 的热能损失 ， 研究人员 不仅研究了多种保温材料和保温方法。韩彦荣等…对 比研究 了几种热力管道保温材料 的选用原则 ， 张
双喜等 研究了超细玻璃棉导热系数与密度的关系 ， 王文欢等ｌ研究 了某电厂主蒸汽管道 的最佳保温 ３
力管道及保温层的热一固耦合分析方法 ， 该方法效率高 ， 分析结果能为热力管道的保温方案和节能设计
提 供帮 助 。
１ 保温热 力管道模 型
某热力无缝钢管长管路 内部有液体流过 ， 液体温度为 １０ｏ 液体没有发生相变 ， ２ Ｃ， 液体和热力管内 壁之间通过强制对流换热 ， 热力管外壁包有保温层 ， 保温层材料为细玻璃棉管 ， 保温层外壁与空气接触 ， 保温层外壁和空气之 间主要通过 自然对流进行换热 ， 辐射换热较少。为确定钢管管道 内壁到保温层外 壁间的温度分布情况和热应力分布情况 ， 了解保温层 的保温效果 ， ２００／ ｌ 取 ０ Ｉ 长保温热力管道 中间一 ｌ ｎ 段长为 １０ｍｎ的部分作为研究对象 ， ５ ／ 其轴剖面几何模型如图 １ 所示 。
Ansys热固耦合分析及参数化设计
Ansys Workbench热固耦合分析及参数化设计机械安装或者发热的零件经常需要知道受热后变形及热应力，常规的计算很难满足要求，目前可以利用有限元软件进行热固耦合计算，查看所需的结果问题描述：内轴直径∅50mm，外环与内圈最大有0.025mm的一个过盈量，采用热套的方式进行装配，试确定外环需加热到多少温度？1、打开软件，建立所需模型（可直接在CAD软件中建立导入）2、双击Steady-State Thermal,右键Geometry---Import Geometry---Browse导入建好的模型右键Solution---Transfer Date To New---Static Structural建立稳态热和结构场的耦合关系2、双击进入Steady-State Thermal模块下的Gometry，检查模型，退出；再双击Model,进入载荷和边界条件设置，材料默认为structural steel（注意：需确定材料的热膨胀系数）,设置网格大小，点击生成网格（只需导入外环模型即可）3、Steady-State Thermal模块下插入Temperature,选择圆环内表面配合面，Magnitude处输入70℃，并勾选前面框（参数化）；再插入Convection，选择所有与空气接触的表面，输入对流换热系数，如下图所示4、建立局部柱坐标系，插入Static Structural---solution---Directional Deformation，将坐标改为刚才建议的柱坐标系，方向设为X方向（柱坐标径向），再勾选参数化，如下图所示：再插入Frictionless support,选择外表面5、退出，进入操作平台，双击Parameter Set,进入参数化模块6、进入参数化模块后左侧出现输入、输出栏数据，如下图所示右侧出现下图列表栏：增加列表栏参数，进行计算，如下图所示：7、根据变形量选择需要的加热温度，如此处过盈量为0.025，则选择90℃即可。
热力耦合分析单元简介
热力耦合分析单元简介！SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。
本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。
在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。
在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。
与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。
INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。
具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。
所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。
使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。
使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。
PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。
由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。
具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。
具有大变形和应力钢化功能。
当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。
LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。
每个节点有一个自由度。
可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。
允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。
发射率可与温度相关。
如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。
LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。
如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
LINK33－三维传导杆用于节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
毕业设计(论文)换热器热应力耦合及有限元ansys分析
摘要换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。
化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。
在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。
为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。
因此，对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。
传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。
随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。
结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。
ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。
关键词：换热器；有限元；ANSYS；散热片Heat exchanger coupled thermal stress analysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction and convection heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation. Therefore, thermal stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of computer technology, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the heat sink conditions, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：Heat control；Finite element；ANSYS；Heatsink目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论............................ .. (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机仿真技术的发展 (1)1.3 热分析方法的选择 (2)第二章课题相关知识介绍 (4)2.1散热片知识 (4)2.1.1散热片的材质比较 (4)散热片结构的设计 (4)2.2有限元分析理论与ANSYS (6)有限元分析理论 (6)有限元常用术语 (7)架构及命令 (7)分析典型过程与功能 (8)2.2.5 国内外发展状况 (9)有限元热分析原理 (9)第三章ANSYS三维模拟计算过程 (13)3.1 散热片模型及几何尺寸 (13)3.2 ANSYS有限元分析进程 (14)环境简介 (14)的建模过程 (15)操作条件的确定 (15)边界条件的确定 (15)计算结果与分析 (16)第四章结论 (21)谢辞 (22)参考文献 (23)附录：散热片模型建模程序 (24)第一章绪论1.1 引言热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。
管道系统流固耦合分析与优化
管道系统流固耦合分析与优化随着科学技术的不断发展和对工程领域的要求日益提高，管道系统的流固耦合分析与优化成为一个重要的研究领域。
在石油、化工、能源、航空航天等领域中，管道系统的设计、运行和维护都需要进行流固耦合分析与优化，以保障系统的安全和效率。
流固耦合是指管道系统中流体流动与固体结构相互作用的过程。
在管道系统中，流体流动会对固体管道产生压力、液动力、摩擦力等力的作用，而固体管道的变形和振动会对流体流动产生影响。
因此，流固耦合分析可以帮助工程师深入了解管道系统的性能，进而优化设计和改进操作方法。
在进行流固耦合分析时，我们需要借助数值模拟和实验测试两种方法。
数值模拟是一种经济、高效的手段，可以通过计算流体流动和固体结构的数学模型，获得流体力学参数和固体结构的响应。
常用的数值模拟方法包括有限元法、计算流体力学方法等。
而实验测试则是验证数值模拟结果的重要手段，可以通过实验室测试或者现场监测来获取真实的数据。
在管道系统的优化过程中，我们可以从以下几个方面入手：1. 系统结构优化：对于复杂的管道系统，我们可以通过添加或删除支架、改变支架位置等方式来减少结构的变形和振动，从而提高系统的稳定性。
2. 流体参数优化：通过调整流体的流量、速度、压力等参数，可以减小流体对固体的作用力，减少对管道系统的破坏。
3. 材料选择优化：不同的材料具有不同的强度、刚度和耐磨性等性能。
选择适合的材料可以减小管道系统的变形和振动，提高系统的使用寿命。
4. 动态响应优化：在管道系统的运行过程中，考虑到流体流动和固体结构的动态响应，可以采取措施来减小系统的共振现象，避免系统损坏。
总之，管道系统的流固耦合分析与优化是保障系统安全和效率的重要手段。
通过对流体流动和固体结构相互作用的深入研究，可以优化设计、提高性能，并保证管道系统的正常运行。
未来，随着技术的不断进步，我们可以预见，在管道系统流固耦合分析与优化领域将会有更多创新和发展。
耦合问题有限元分析
热固耦合有限元分析
几何模型
➢工程建模
1、点击“工程向导”进入公式库
热固耦合ELAB1.0软件实现
2、选择“多物理场耦合”→“热固耦 合”
3、选择“坐标系”
4、选择“单元类型” 6、定义工程名和工程路径，完成工程 设置
5、选择“问题类型”
➢定义材料参数
点击工具栏“参数设置”→“材料参 数”， 如下图 所示：
T T0
T
T
nxkx x nyky y q0
nx k x
T x
nyky
T y
h u0
T
u u0 v v0 Tx T0 Ty T1
➢工程背景
平板长1米，宽0.5米，左端温度为0℃， 右端温 度为100℃，下 端完全 固定。 如下图 所示， 求在此 条件下 的板的 温度分 布、变 形和应 力。板 的膨胀 系数为 1.0e-5/℃，弹 性模量 为1000MPa， 泊松比 为0.3，热传 导系数 为10W/m/℃。 不计板 的体力 和内热 源。
其中，k为热传导系数 ，q为热源 线 弹 性 固 体 力学基 本方程 ：
对于线弹性问题，其本构方程将受温度 变化的 影响， 下面给 出线弹 性问题 的平衡 方程、 几何方 程以及 与受温 度场变 化影响 的本构 关系 :
2T 2T
k
x2
y2
q
0,
in
固体场平衡方程： 固体场几何方程： 本构关系：
其中，q0是边界上热流的给定值 ，nx、ny、nz分别为边界表面外法线 在 x、y、z方向的的方向余 弦，h表示物 体与周 围介质 的热交 换系数 ， T0表示环境温度 。 线 弹 性 问 题 有两类 边界条 件： 固定位移边界条件： 边界均布力载荷条件：
寒地日照及昼夜动态大温差下保温管道外护层破坏的热力耦合仿真与分析
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ１６３３１８，Ｃｈｉｎａ； ２．ＤａｑｉｎｇＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＦａｃｔｏｒｙ，Ｄａｑｉｎｇ１６３７１４，Ｃｈｉｎａ；
ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｕｐｌｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｒｏｔｅｃｔｉｖｅＬａｙｅｒＤｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＩｎｓｕｌａｔｅｄ ＰｉｐｅｌｉｎｅｉｎｔｈｅＣｏｌｄＲｅｇｉｏｎｕｎｄｅｒＬａｒｇｅＤｙｎａｍｉｃＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎＵｎｅｖｅｎ Ｓｕｎｓｈｉｎｅａ容 器
２０１９年 ４月
檭殐
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４８３７．２０１９．０４．００２
檭檭檭檭檭檭檭殐
试验研究
檭殐
檭檭檭檭檭檭檭殐
寒地日照及昼夜动态大温差下保温管道 外护层破坏的热力耦合仿真与分析
邢海燕１，王朝东１，郭 钢２，丁云龙３，迟铁刚３，陈玉环１
３．ＤａｑｉｎｇＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｄａｑｉｎｇ１６３７１４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｔｈｅｏｕｔｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｅｄｏｉｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＭｏｈｅＤａｑｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｔａｃｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｅｘｔｒｅｍｅｌｙｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓ，ｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｕｎｄｅｒ ｔｈｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇａｃｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｄｙｎａｍｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｕｎｅｖｅｎｓｕｎｓｈｉｎｅａｎｄｄｉｕｒｎａｌｃｙｃｌｅｉｎｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｃｏｌｄｒｅ ｇｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＨＤＰＥｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｓｅｔｔｉｎｇｏｆｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｏａｄｓｏｆｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｏｆｏｕｔｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｌａｙｅｒｕｎｄｅｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇａｃｔｉｏｎｏｆｕｎｅｖｅｎｓｕｎｓｈｉｎｅａｎｄｌａｒｇｅｄｙｎａｍｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎｕｎｅｖｅｎｓｕｎｓｈｉｎｅａｎｄｄｉｕｒｎａｌｃｙｃｌｅｉｎｔｈｅｓｔａｃｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｅｄｐｉｐｅｓｉｎｅｘｔｒｅｍｅｌｙｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎａｎｄｏｖｅｒａｌｌ ｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｄｕｅｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｌｉｎｅａｒｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｌａｙｅｒｍａｔｅ ｒｉａｌｓｉｎａｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｕｎｄｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇａｃｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｕｎｅｖｅｎｓｕｎｓｈｉｎｅａｎｄｄｉｕｒ ｎａｌｃｙｃｌｅｉｎｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎ，ｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｏｃｃｕｒｒｅｄｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｙｅｒｓｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
基于CBS有限元的流热固耦合计算方法研究
· vi ·
单元特征量， bi = y j − ym ， ci = xm − x j 应变矩阵 声速 比热容 常数 质量力 弹性矩阵 弹性模量 湍流模型中代数表达式 重力分量 剪切模量 i, j = 1, 2,3 或表示单元节点的编号 湍动能 特征尺度 时刻或法线方向 形函数或权函数 压力 有效压力 源项或热流量 径向坐标 单元载荷 Reynolds 数 时间 厚度 温度 特征温度 平均速度分量 脉动速度分量
卡门涡街算例几何模型
47
图 4.10
进口端三角形单元划分
47
图 4.11
扰流柱附近三角形单元划分
47
图 4.12
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
卡门涡街发展过程
49
图 4.13
速度矢量图
50
· viii ·
南京航空航天大学硕士学位论文
图 4.14 图 4.15 图 4.16 图 4.17 图 4.18 图 4.19 图 4.20 图 4.21 图 4.22 图 4.23 图 4.24 图 4.25 图 4.26 图 4.27 图 4.28 图 4.29 图 4.30 图 4.30
本文详细分析和阐述了 CBS 算法的基本理论，基于 CBS 算法推导了流体 力学基本控制方程的有限元离散方程，发展了一组基于 CBS 算法的 CFD 有限 元计算程序，包括：二维粘性层流流场与温度场计算程序 CBSftem、二维湍流 计算程序 CBSturb、轴对称层流计算程序 CBSaxial，轴对称旋转层流计算程序 CBSswirl。以及统一采用有限元法的流－热－固耦合分析程序 CBSFTS。并应 用这些程序对典型的流动与传热、流动与弹性变形以及流动、传热和弹性变形 耦合问题的算例进行了分析。
热管堆固态堆芯三维核热力耦合方法与分析
摘要有 别 于 传 统 堆 芯 热 管 冷 却 反 应 堆简 称 热 管 堆 固 态 堆 芯 具 有 高 温 热 膨 胀 效 应 该 特 性 产 生 了 中 子 物 理热 工力 学简 称 核 热 力相 互 耦 合 的 效 应 本 文 根 据 固 态 堆 芯 热 膨 胀 反 应 性 反 馈 机 制 与 热 管 传 热 过 程 建 立 固 态 堆 芯 三 维 动 态 几 何 的 核 热 力 耦 合 方 法 应 用 核 热 力 耦 合 方 法 对 ABC&:D 热 管 堆 进 行 稳 态 分 析 结 果 表 明 正 常 工 况 下 堆 芯 从 冷 态 到 热 态 变 化 过 程 中 核 热 力 反 应 性 反 馈 约 为 E?!*(1/其 中 堆 芯 热 膨 胀 效 应 约 占 总 反 馈 的 F*G 核 热 力 耦 合 分 析 表 明 热 膨 胀 效 应 是 固 态 堆 芯 负 反 馈 与 自 稳 调 节 的 主 导 效 应 但 另 一 方 面 显 著 的 热 应 力 将 威 胁 堆 芯 完 整 性 从 而 影 响 反 应 堆 安 全 在热管堆的设计和运行过程中应重点关注固态堆芯材料的力学性能 关 键 词 热 管 冷 却 反 应 堆 核 热 力 耦 合 热 管 模 型 中图分类号:H>)F!!! 文献标志码-!!!文章编号+***I=F>+)*)+&+I*+?FI*, !"#+*%,!>?7JK%)*)+%J;'83K83%*)+!
收 稿 日 期 )*)+I*>I+*修 回 日 期 )*)+I*!I+> 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 ++F,!)+F中 核 集 团 青 年 英 才 项 目 " 通 信 作 者 马 誉 高
有限元热分析基本概念共43页
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
有限元热分析基本概念
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
基于稳态热-结构耦合的低温管道绝热支撑研究
基于稳态热-结构耦合的低温管道绝热支撑研究张财功;李长俊;贾文龙;何乾伟【摘要】为了优化真空多层绝热管道的绝热支撑,以带圆孔的三角形绝热支撑为研究对象,建立了低温管道热-结构耦合数学模型,采用有限元方法进行了求解,分析了不同孔径下支撑温度、应力和形变的变化规律.研究表明:孔径增大,绝热支撑的漏热量降低,整体应力水平升高,支撑与管道接触处的应力集中现象减弱;但孔径增大,支撑刚度下降,形变量增加.针对φ89×3.0的低温管道绝热支撑,以降低漏热量为目标,建立了漏热量与最大形变量的函数关系,确定了支撑的最优孔径为12 mm.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】7页(P47-53)【关键词】绝热支撑;圆孔孔径;真空多层绝热;热-结构耦合;液氦【作者】张财功;李长俊;贾文龙;何乾伟【作者单位】西南石油大学石油与天然气工程学院成都610500;西南石油大学石油与天然气工程学院成都610500;西南石油大学石油与天然气工程学院成都610500;西南石油大学石油与天然气工程学院成都610500【正文语种】中文【中图分类】TB6111 引言低温管道作为输送低温液体的载体，在国防航空、核工业、石油天然气等领域得到了广泛应用[1]。
如核聚变Tokamake装置通过低温管道补充液氦，液化天然气需通过低温管道输送。
但低温介质在输送过程中极易产生冷损，目前应用最多的绝热结构是真空多层绝热[2]。
真空多层绝热管道在低温及内压的热-结构耦合作用下，由复合材料制作的绝热支撑可能出现纤维破坏和层间破坏，导致管道失效。
许多学者采用有限元方法[3]研究了管道结构强度和绝热支撑的漏热，取得了许多研究成果。
2015年，邓笔财等[4-5]采用不同辐射换热模型对液氦传输管线进行了研究，研究表明，绝热支撑是管道的主要漏热途径，三角形支撑较正方形支撑的漏热量小。
2016年，于春柳等[6]采用ANSYS Workbench对某直角型真空多层绝热管道进行热-结构耦合研究，研究表明，支撑热应力对称分布于与内外管接触的对角线周围。
热管冷却反应堆固态堆芯热力耦合性能分析及结构优化
热管冷却反应堆固态堆芯热力耦合性能分析及结构优化
岳明楷;金浩;刘桐蔚;李文杰;黄永忠;恽迪;周进雄
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2023(57)2
【摘要】热管冷却反应堆的固态堆芯具有模块化、无流动回路等诸多优势,受到诸多学者关注。
固态堆芯在工作寿期内涉及复杂的热力耦合行为。
本文基于ABAQUS对固态堆芯工作性能进行了热力耦合分析。
结合子程序的二次开发,综合考虑了间隙传热模型及材料在极端工况下的蠕变、肿胀等行为。
探究了各部件之间的相互作用关系。
基于有限元仿真对固态堆芯尺寸进行参数优化,使用深度神经网络建立代理模型,使用NSGA-Ⅱ算法获得了pareto前沿解集。
相较于初始设计参数,优化后的堆芯最高温度下降8.44%,最大应力下降34.43%,改善了固态堆芯的性能。
【总页数】10页(P428-437)
【作者】岳明楷;金浩;刘桐蔚;李文杰;黄永忠;恽迪;周进雄
【作者单位】西安交通大学航天航空学院机械振动与强度国家重点实验室;中国核动力研究设计院;西安交通大学能源与动力学院
【正文语种】中文
【中图分类】TL352.1
【相关文献】
1.反应堆失流事故下堆芯自然循环冷却能力的模拟实验研究
2.固态热管反应堆模拟装置热工水力特性分析
3.热管堆固态堆芯三维核热力耦合方法与分析
4.锂热管结构材料对热管冷却反应堆中子物理特性影响
5.基于热管冷却反应堆仿真系统的功率调节系统初步设计
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第 2期
王旭飞, 刘菊蓉 保温热力管有限元热固耦合分析
在分析模型最下边的整条线段上施加 y 轴正方向的均布压力, 其数值为 0. 5M Pa。 3. 2. 3 施加温度场
读取热分析得到的节点温度结果文件 pipeanalysis. rth。定义参考温度为 25 。 3. 3 求解和后处理
通过计算, 得到保温热力管在给定条件下的应力和位移。查看保温热力管节点相对热位移, 结果如 图 7所示, 其最大值为 0. 018 mm。
4总 结
应用 ANSYS12. 0有限元分析软件, 在一定的边界条件下, 对带保温层的热力管道进行了一维稳态 导热分析, 得到钢管和细玻璃棉管在给定边界条件下的温度场, 并以温度场结果作为条件对钢管和细玻 璃棉管进行了结构分析, 得到钢管和细玻璃棉管的热应力分布。分析结果为热力管的保温层材料和层 数设计选择提供依据, 为热力管道工程应用中的节能设计提供帮助。分析过程简单快速, 结果显示直观 清楚。利用 ANSYS12. 0软件进行热固耦合分析可以避免对导热微分方程的求解和复杂热固耦合条件 的数学处理。但在分析过程中, 对部分条件进行了简化或忽略, 给分析结果带来影响, 后续工作中将继 续对多工况和边界条件进行理论和实验研究, 不断提高分析结果的准确性。
3 结构分析
3. 1 单元转换和参数设置 结构分析时, 首 先要 进行 单元 类 型转 换, 通过 软件 选 择单 元 类型 转 换功 能, 将 热分 析 时用 的
PLANE77单元转换为结构分析用的 PLANE183单元, 仍然选择轴对称分析。然后定义热力管和保温层 结构分析用的参数, 包括杨氏模量、泊松比和热膨胀系数等 ( 表 1) 。 3. 2 施加边界条件
保温热力管有限元热固耦合分析
王旭飞, 刘菊蓉
(陕西理工学院 机械 工程学院, 陕西 汉中 723003)
June. 2011 V o.l 27 N o. 2
[摘 要 ] 节能是保温热力管道设计的主要任务之一。利用 ANSYS有限元软件进行热力管
道和保温层的热 - 固耦合分析。通过建立模型, 确定条件和参数, 先后进行热分析和结构分
由于分析模型两端的部位在热流进出口保持绝热, 因而管子两端没有沿管子长度方向的热位移, 选 取分析模型左右两端边界上的 4条线段, 约束其在 x 方向的位移。为了确定管子沿厚度方向各节点的 相对位移, 以管子内壁为参考, 约束管两端线段在 y 方向的位移。 3. 2. 2 压力载荷
由于热力管内部液体产生的压力作用在热力管内壁上, 同时考虑管子和管内热流体的重力影响, 故
[参考文献 ]
[ 1] 韩彦荣, 谢华. 热力管道 保温材料的选用分析 [ J]. 制冷 与空调, 2006( 4) : 59- 61. [ 2] 张双喜, 杨莉萍, 郭铁明 , 等. 超细 玻璃棉导热系数的研究 [ J]. 保 温材料与建筑节能, 2005( 5) : 50- 52. [ 3] 王文欢, 潘卫国. 复合保 温对电站机组蒸汽管道散热的影响 [ J]. 上海电力学院学报, 2010, 26( 1): 12- 14. [ 4] 刘中良, 马重芳. 层流管 流藕合换热对流体热边界条件的影响 [ J]. 北京工业大学学报, 2002, 28( 1): 32- 37. [ 5] 杨世铭, 陶文铨. 传热学 [M ]. 北京: 高等教育出版社, 2006. [ 6] 王文, 赵平. 基于 M idas的基坑换撑有限元分析 [ J] . 陕西理工学院学报 ( 自然科学版 ), 2010, 26( 2): 29- 31. [ 7] 王文. 基于时空效应的基坑施工有限元研究 [ J] . 陕西理工学院学报 ( 自然科学版 ), 2009, 25( 2): 62- 65. [ 8] 白成生. 玻璃棉在直埋供热管道工程中的应用 [ J] . 保温材料与建筑节能, 1999( 4): 19- 20. [ 9] 蔡尔辅. 石油化工管道设计 [ M ]. 北京: 化学工业出版社, 2002. [ 10] 邵宗科, 黄重国, 董红磊. 基于 AN SY S的 X CQ 16钢轴向疲劳实验与有限元仿真 [ J]. 陕西理工学院学报 (自然科学
其中对流传热、导热、辐射传热分别按照速率方程 ( 1) 、( 2) 和 ( 3) 计算。
1 = hA t
( 1)
2 =-
A
dt dx
( 2)
3= A T4
( 3)
其中的参数: h 对流换热系数,
A 换热面积, t 温差,
导热系数,
dt dx
温度沿管壁径向的变化量,
发射率,
黑体辐射常数, T 保温层外表面热力学温度。
图 3 传热框图
2 热分析
2. 1 建立分析模型 利用 ANSYS12. 0软件进行热分析计算时, 先创建有限元单元类型为二维 8节点 PLANE77 单元。
然后分别定义钢管和玻璃棉管两种材料的导热系数, 其数值如表 1。利用软件提供的建模功能按照图 1 的几何尺寸建立两个矩形并进行粘接。选择映射法用边长为 2的四边形单元划分网格。得到有限元网 格分析模型如图 4所示, 单元数为 525个, 节点数为 1 740个。图 4 中 y 方向为热力管道壁厚方向 ( 径 向 ) , x 方向为热力管道长度方向 ( 轴向 ) 。
1 保温热力管道模型
某热力无缝钢管长管路内部有液体流过, 液体温度为 120 , 液体没有发生相变, 液体和热力管内 壁之间通过强制对流换热, 热力管外壁包有保温层, 保温层材料为细玻璃棉管, 保温层外壁与空气接触, 保温层外壁和空气之间主要通过自然对流进行换热, 辐射换热较少。为确定钢管管道内壁到保温层外 壁间的温度分布情况和热应力分布情况, 了解保温层的保温效果, 取 2 000 mm 长保温热力管道中间一 段长为 150 mm 的部分作为研究对象, 其轴剖面几何模型如图 1所示。
2011年 6月 第 27卷第 2期
陕西理工学院学报 ( 自然科学版 )
Journal o f Shaanx i U nivers ity of T echno logy ( N atura l Sc ience Edition)
[ 文章编号 ] 1673- 2944( 2011) 02- 0005- 06
在进行热力管道的结构强度分析时, 除了必要的约束外, 一般不仅考虑管道正常运转下的压力温度 条件进行压力分析外, 还需要考虑热膨胀和自重产生的应力, 以及各种非正常运行条件下的应力 [ 9] 。 对于本文的分析模型, 根据运行条件, 考虑保温热力管道和热流在内压、温度、自重不变的情况下产生的 一次应力, 忽略热膨胀和非正常运行条件产生的二次应力和峰值应力。 3. 2. 1 位移约束
图 5 对流传热边界条件网格模型 7
陕西理工学院学报 (自然科学版 )
第 27卷
2. 3 求解和后处理 通过软件求解, 计算各载荷步, 得到温度场结果。为了更清楚的反映温度变化情况, 利用软件定义
路径功能, 选择通过节点定义路径, 依次选择分析模型最左端直线的下端点和上端点两个节点, 定义图 4中沿 y 轴正方向的路径, 对于热力管和保温层实体而言, 即是定义了沿厚度从热力管内壁向保温层外 壁的径向路径。将温度分析结果映射到路径上, 查看沿定义路径的温度分布如图 6所示。
陕西理工学院学报 (自然科学版 )
第 27卷
综上所述, 带保温层的热力管是一个金属壁、保温层导热和流体对流换热的稳态耦合传热问题 [ 8] 。
图 1 保温热力管轴剖面几何模型
图 2 简化几何模型
为了便于分析, 先建立与简化几何模型 (图 2) 对应的传热框图, 如图 3所示。图 3左侧一列方框为 简化几何模型中实际热量由内向外依次传递的各环节, 右侧一列方框为各相邻环节主要的热量传递方 式。
析, 得到热力管道和保温层沿定义路径各处的温度场和应力场。分析结果不仅为热力管的保
温设计提供参考数据, 还为热力管道的节能设计提供帮助。
[关 键 词 ] 热力管; 保温层; ANSYS; 热固耦合
[中图分类号 ] TK11
[ 文献标识码 ] A
在热能、化工和机械等工程领域, 常常用热力管道进行载热介质 ( 液体或气体 ) 的传递。选用金属 材料制造的热力管道具有较高的强度和寿命, 但是金属材料都具有高的导热系数, 特别是在远距离强制 对流传热的情况下, 热力管道散热所造成的经济损失相当大。为了防止热力管道的热能损失, 研究人员 不仅研究了多种保温材料和保温方法。韩彦荣等 [ 1] 对比研究了几种热力管道保温材料的选用原则, 张 双喜等 [ 2] 研究了超细玻璃棉导热系数与密度的关系, 王文欢等 [ 3] 研究了某电厂主蒸汽管道的最佳保温 层设计方案, 刘中良等 [ 4] 对管壁导热与管内流体间的耦合作用对内管壁处流体的热边界条件进行了研 究。在研究过程中对于保温材料性能和保温方法的研究一般都是先按照设计手册和经验公式计算, 然 后通过实验测量来验证和改进, 整个过程耗时费力。本文介绍利用 ANSYS12. 0有限元分析软件进行热 力管道及保温层的热 固耦合分析方法, 该方法效率高, 分析结果能为热力管道的保温方案和节能设计 提供帮助。
9
陕西理工学院学报 (自然科学版 )
第 27卷
多, 呈线性降低; 第四段在 5. 6~ 6. 3 mm 范围内热应力减小较多, 呈圆弧过渡性降低; 第五段在 6. 3 ~ 14. 0 mm 范围热应力保持零值。
根据最大变形能 ( 第四 ) 强度理论判断可靠性。热力管的应力最大值为 32. 6 M Pa 小于 20钢钢管 在 150 的许用应力 130 M Pa, 则热力管道可以安全运行。
图 6 保温 热力管温度路径分布线图
图 6中显示温度沿管子径向从热力管内壁到保温层外壁的变化情况, 温度变化总的趋势是分 3个 阶段连续降低。第一阶段在热力管内部从 120. 0 开始温度减小的很少, 在 0~ 3 mm 之间呈线性降 低; 第二阶段在热力管外壁和保温层内壁接触处符合界面连续条件, 在 3 ~ 4. 2 mm 之间呈圆弧相切过 渡, 温度降低 到 117. 0 ; 第三阶 段在 保温层 内部 温度 呈线 性降 低, 在 4. 2 ~ 14 mm 之间, 温度 从 117. 0 降至 25. 2 。整个过程符合简化边界条件下的温度变化关系。