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换热器流固传热边界数值模拟温度场的顺序耦合方法点击：3068 日期：[ 2014-04-26 21:54:00 ] |
| 换热器流固传热边界数值模拟温度场的顺序耦合方法 郭崇志，肖乐 （华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640） 摘要：通过建立由壳体、管板和换热管等组成的换热器有限元分析模型，使用FLUENT生成的CDB文件和ANSYS本身的物理场进行耦合，把外部CBD边界条件映射到ANSYS模型上。先利用“分段建模，整体综合”技术，从实现换热器的工艺热分析的角度考虑，由FLUENT软件得到换热器整体温度场，输出得到了包含固体表面节点、单元和温度载荷等信息的CDB文件，然后利用温度场顺序耦合的思想，利用由FLUENT得到的结构温度场边界，在ANSYS软件中取节点文件并求解，创建结构热分析所需的结构温度场。比对CFD结果和有限元结果可知，两者温度场的分布没有差别，此耦合过程中没有出现失真现象，这为研究换热器的温差应力分析提供了可靠的依据。 关键词：换热器；流固；传热；温度场；顺序耦合 中图分类号：TQ 051.1文献标志码：A文章编号：1000–6613（2010）09–1615–05 预应力换热器可以较好地消除或降低固定管板换热器中传统温差热应力的影响，提高这类换热器的工作可靠性和扩大工作温差范围，因此具有很好的工作适应性[1－2]。在这类换热器中，为了确定合理的预变形量，需要对换热器中流体的流动情况和整体的传热性能进行相应的分析，过去这类工艺分析只能借助于粗略的经验公式，而现在为了得到更为准确的结果，大多采用CFD方式进行工艺分析[3－4]。由于结构和流道复杂，固定管板换热器内部流动及传热模拟还十分困难，分析的结果往往由于与实际有偏差而难于应用，而目前大多数有关这类换热器的结构热分析利用ANSYS软件，采用简化的二维或三维实体模型，再利用已知经验数据对模型施加边界条件，这些边界条件通常来源于手册提供的数据或者经验计算数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热的工艺数值计算，因此必然导致结果产生较大的偏差[5]。 为了消除这种来自于计算原理的偏差，采用一致的离散化数据来实现边界条件加载，本文作者提出了一种基于CFD软件与结构分析软件顺序耦合的分析方法，充分利用了CFD软件对工艺流体及其壁面建模的能力和结构分析软件的耦合场分析功能，立足于将CFD针对工艺流体的传热和流动热分析结果离散化边界数据无失真地转换到结构热分析边界上，从而消除长期以来采用经验数据和平均数据加载导致的方法缺陷。具体而言，就是采用“分段建模，整体综合”的CFD模拟新方法[6－7]，利用FLUENT软件进行换热器的传热与流体力学分析，然后把FLUENT流体模型得到的数值模拟温度场结果导入ANSYS结构分析模型中进行节点插值，作为换热器热及结构分析的边界条件，实现FLUENT与ANSYS之间流体边界与结构边界数据的无缝结合。研究结果表明，CFD和ANSYS有限元的温度场完全一致，为准确的换热器结构热应力分析打下了坚实的基础，也是传统换热器热结构分析技术的重大突破。 1·模型的处理和建立 本文研究的换热器为折流杆固定管板换热器，几何结构模型见图1，主要参数为：筒体尺寸φ108mm×4 mm×1500 mm；换热管19 mm×φ12 mm×3 mm；导流筒φ88 mm×1 mm×120 mm；折流栅24mm×96 mm×82 mm；折流杆直径φ3 mm；管板厚度15 mm。采用正三角形布管，管程介质为饱和水蒸气，壳程介质为冷却水，壳程流速为0.4 m/s。 利用换热器在截面上的对称性，可以建立1/2对称模型。为了解决网格精度和降低计算规模，采用“分段建模、分段模拟，整体综合”的方法，将换热器分为8段。以下主要以换热器入口段说明从FLUENT中把温度数据转换到ANSYS模型中的过程。 使用ANSYS多物理场求解器求解换热器热应力前需先实现FLUENT温度场数据到ANSYS的单向转换。ANSYS的Multifield solver是一种多物理场的求解器，多物理场是指结构、流体、传热等物理现象之间的相互作用。Multifield solver允许用户就不同的物理场建立不同的有限元模型，然后利用CDB文件，在一个统一的求解器中进行耦合求解。本文使用的是Multifield solver的一个特殊功能，即使用外部程序生成的CDB文件和ANSYS本身的物理场进行耦合，把外部CBD边界条件映射到ANSYS模型上。 为了实现将CFD软件FLUENT中建立的离散化流体边界温度作为边界条件耦合传递到结构分析软件ANSYS中，以便在ANSYS的热-结构分析中实现准确的边界条件加载，必须解决两种软件的不同输出文件格式之间的数据转换问题，同时还必须解决两个软件中所建立的模型离散化网格不一致的问题。而为了实现计算精度，解决后一个问题更为重要。为了能实现FLUENT和ANSYS的耦合仿真，把FLUENT针对流体计算获得的模拟数据结果准确地转换到ANSYS中，作为结构有限元分析的边界条件加载，在两个软件中建立模型时，必须要求几何形状保持一致，因此在建立CFD模型以及ANSYS有限元模型时，必须随时注意到两种不同的分析目的所创建的几何模型的一致性，由于FLUENT中主要是针对流体建模的，因此只有流体的边界与结构分析的实体模型是相关的，而由于采用分段划网、分段模拟的方法进行CFD分析，在ANSYS中要实现结构的分段分析目前有困难，所以ANSYS模型只能用整体模型，但划分网格仍然采取分段划分。在ANSYS固体结构模型中，模型所处的坐标系，模型的形状、几何建模单位以及在坐标系中的位置都要尽可能与FLUENT中固体模型部分相吻合，以便边界的节点能得到好的插值结果，为了能够跟CFD模型对应，ANSYS中也采用分段划分网格的方法离散模型。几何模型分别见图2、图3。 2· CFD模拟和结果输出 通过CFD数值模拟，可得到换热器内部流体流动和传热状况，获得流体速度分布和壁面压力、温度分布以及流体温度场分布。换热器模型入口段温度场分布如图4～图7所示。 在实施CFD软件与结构分析软件之间的耦合分析时，首先从FLUENT软件OUTPUT中选择文件输出类型为ANSYS INPUT，选择需要输出温度场的流体边界，即结构的固体表面，然后得到一个文件格式为.cdb的输出文件，此文件包含有节点、单元和载荷等有限元信息，可以被ANSYS读入。由于FLUENT模拟共有8段模型，因此每段模型都有一个相应的输出文件，在ANSYS中每段模型在每次分析中都要分别进行相应的插值操作。分别读入这些文件就可以在ANSYS中进行有限元分析，也可以根据需要对这个CFD输出文件进行一定的修改，如添加定义单元等，之后读进温度文件到ANSYS中求解。 3·输出有限元模型节点文件进行插值 在进行插值计算之前，需要输出ANSYS模型的表面节点文件。具体操作时，在ANSYS模型中选择需要插值温度的节点，并输出为节点文件。本文中由于需要得到热分析的边界条件，即插值应得到换热器中所有流体与固体结合的边界，即壳体、换热管和管板所有需要施加温度边界条件的表面节点的温度值，因此分别选择ANSYS模型中每段模型的外表面节点，输出为节点文件。整个模型分为8段，则分别得到8个节点文件，与FLUENT模拟结果输出的8个ANSYS输入文件对应，ANSYS中插值操作的实施主要由这两种文件进行。 ANSYS读入FLUENT软件输出的.cdb文件并求解，就可以得到固体表面单元的温度场分布结果，利用ANSYS后处理中子模型菜单下的自由度插值命令，读入对应模型段的节点文件，就可以用这些节点文件进行温度插值，得到所有插值节点的温度数据。由于模型分为8段，因此每次插值共得到8个温度文件，这就是热分析所需的温度自由度约束条件。热分析过程中读入该文件就可以把所有表面节点的已知温度数据加载到有限元模型中。 4 ·ANSYS有限元热分析 利用ANSYS对换热器进行热-结构耦合分析过程中，在计算温差热应力之前先要进行热分析。通过前述插值方法，就得到有限元模型所需温度边界条件，将其读入ANSYS有限元固体模型中，输入有关材料参数，进行热分析，就得到换热器模型的固体结构温度场分布。ANSYS热分析的温度场分布如图8～图11所示。通过上述两种耦合过程（即CFD软件FLUENT与结构分析软件ANSYS之间的流固边界温度数据的耦合传递以及在ANSYS软件中的热-结构分析耦合），就将FLUENT中通过流体力学及传热分析得到的流固边界温度数据耦合到了ANSYS结构分析的固体边界上，作为准确的温度分布边界条件进行实体结构的热分析边界条件加载；再通过ANSYS中的热-结构耦合分析就可以得到充分接近实际状态的复杂热应力分布。 5· CFD模拟结果与有限元温度场分析结果对比 对比CFD软件FLUENT给出的温度场（图4～图7）与ANSYS有限元热分析给出的温度场（图8～图11），两种模拟方法得到的温度梯度结果可以直观地看出非常相近。 为了进一步定量说明FLUENT和ANSYS中两者的温度梯度差别，现选取壳体外壁中线上的温度作为比对，从图12、图13可知此耦合方法得到了与CFD分析结果一样精确的温度场，实现了边界温度场数据无失真地传递和转换。毫无疑问，以这样的温度边界条件进行换热器温差热应力计算将是最可靠的。 换热器的三维温度场分布沿各个方向都是变化的，采用CFD温度数据拟合成函数公式作为ANSYS模型加载的温度边界条件的方法[7－8]忽略了径向和周向温度梯度的变化，只分析主要温度梯度（即轴向温度梯度）对热应力的影响。该方法实现了主要温度边界条件的施加，但是忽略径向和周向温度梯度（尽管比较小），也使得后续的分析结果产生误差。与文献[7-8]采用拟合公式加载的轴向温度分布边界条件的方法相比较，本文实现了FLUENT输出数据与ANSYS的输入数据之间的无缝转换，将换热器整体流动与传热温度场的三维温度梯度都映射到了ANSYS模型中，解决了同一条件下把流体流动传热模拟和换热器结构分析相结合的难题。使换热器的流体数值模拟与有限元结构分析连接起来，成为彼此连续、互相验证的完整分析过程，为预应力换热器的进一步深入研究、设计甚至工程实际应用打下了基础。 6·结论 换热器流固传热分析边界模拟温度场的顺序耦合方法充分发挥了FLUNET软件在CFD数值模拟技术方面和ANSYS在结构有限元分析方面各自的优势，从而使得换热器的CFD工艺数值模拟与ANSYS结构有限元分析紧密衔接起来。本文作者用实例实现并验证了这种耦合方法的可行性和可靠性，为更复杂的多场分析奠定了基础。实例换热器多场模拟结果的定性定量比较表明，充分发挥各种商用软件的优势功能来实现传统产品的创新设计和性能准确分析是大有可为的。 参考文献 [1]卓震，张晶.固定管板式换热器的预应力技术[J].化工设备设计，1996，33（1）：21-25. 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