笔者今天要介绍的一位朋友(钟工),是一位刚刚工作三年的小伙子,人很热情也很有激 情,初相识是源于此公 众号,在聊天的过程中笔者惊讶的发现钟工在读研期间就已经在将自己所做的案例整理成书《ANSYS Workbench 在化工机械与过程装备中的应用》,大概是钟工当时也看到了关于WB学习资料的匮乏,于是以余老师的书本为参考案例,将书籍上的案例及帮助文档中的案例在WB中一一实现,为后来WB的初学者提供了一份很好的学习资料,一份很了不起的工作。想当年笔者在某论坛上找到这份资料的时候是极至膜拜之情啊,以为是出自某位有多年经验的大神之手,殊不知竟然出自一个在校研究生之手,后来我竟然意外的与这位曾经做过我老师的钟工相识于公 众号并成为志趣相投的朋友。聊天过程中,钟工也不无遗憾的跟我提起过,以后可能再也不会接触到ANSYS了,因为钟工毕业以后去了国内某大型设计院做配管工作,所以笔者称他为“一个被配管耽误的ANSYS高级操盘手”。谢谢钟工的无私分享,经钟工的同意,分享一篇钟工书本中的案例与大家一起学习。
锅炉给水管热应力分析
1. 问题描述:某蒸发量为6t/h、额定压力为1.27MPa的蒸汽锅炉,给水管连接在后管板上。给水管的规格为∅76mm × 4mm,管板厚度 16mm,给水管与管板的焊脚尺寸为4mm,计算中给水管外伸长度为300mm,伸入锅炉内部100mm,结构简图如图1 所示;材料参数见表 1。现分析连续给水和20min 间断给水条件下的给水管的稳态温度场、瞬态温度场及相应的热应力。
给水温度为 50℃,锅内饱和水温度为190.7℃。连续给水时水流速度为0.459m/s,20min 间断供水时水流速度为 1.377m/s。假设间断供水开始时给水管内水温度与锅内饱和水温度相等。按照《锅炉计算手册》(宋贵良主编),可计算出连续给水时管内的传热膜系数为 2289.5 W/(m²·℃) ,20min 间断供水时管内热水传热膜系数为 8947.1W/(m²·℃),20min 间断供水时管内冷水传热膜系数为 5513.6 W/(m²·℃)。给水管浸入饱和水表面(外侧)的传热为自然对流。假设管子外壁温度与饱和水温差为 20℃(简化计算),可计算出管外传热膜系数为 1792.4 W/(m²·℃)。同样可以计算出管板内侧表面的传热膜系数为 1094 W/(m²·℃)。管板外表面及给水外伸部分的外侧表面为绝热。
2. 稳态热应力分析
采用 2D 轴对称模型分析,在Workbench的EngineeringData按表1输入不同温度下的材料参数。由于给水管与管板连接位置温度梯度和热应力可能较大,因此该区域局部网格加密。
模型网格总共 6652个节点,1957个单元,偏度最大值为0.66,平均偏度为0.05。设置计算得到的三个对流边界条件,如图3所示。
计算得到结构的稳态温度场如图4所示。从图5的应力强度云图可知,热应力最大值为 285.36MPa,出现在给水管内壁。该位置材料温度为 100℃左右,屈服应力(材料为20钢)为220MPa,可见材料已经发生屈服。
3. 瞬态热应力分析
20min间断供水开始时,金属温度为饱和水的温度,即190.7℃。在进行瞬态温度场分析时,认为50℃冷水按照1.377m/s的速度均均向前推进,通过给水管的时间为0.302s。为了计算最后达到稳定传热是的温度场,计算最终时间为300s。分析中共采用了18个载荷步,如表2所示。
在Workbench的瞬态热分析中默认设置的初始温度是整个结构均匀一致,如果初始温度不一致,可先进行一次稳态热分析,然后把稳态热分析的温度场结果作为瞬态热分析的初始温度。在本例中,结构的初始温度均匀一致,为190.7℃。
图6到图8给出了不同时间下的瞬态温度场云图,取管子内表面为路径,可以得到不同时刻的温度分布情况,如图9所示。图中横坐标为到零时刻冷热水交界面的距离。可以看出,0.2s、0.5s、1s 时的温度曲线呈现明显的台阶状(这是由于热分析边界条件采用与时间步对应的阶越方式,如果时间步足够小,台阶将消失)。同时,2s、5s、10s、40s 的温度曲线在与管板连接区域有明显的“凸台”,这是因为管板将热量源源不断地传送到水管上。在40s时,温度逐渐趋于稳定。
图 10 给出了1s、2s、5s、10s、40s时给水管内壁的应力强度曲线。与图9的情况类似,最终的应力峰值出现在与管板交界的区域。图11为300s时的应力强度云图,屈服区域明显变大,最大应力强度增加至332.34MPa,比连续给水时高出16%。