利用Simdroid实现销钉水冷壁热仿真流程封装

销钉式水冷壁作为一种常见的水冷结构，具有结构简单、维护方便、换热效率高等优点，在动力锅炉、煤化工等领域应用广泛。由于结构设计和使用环境等因素影响，销钉式水冷壁在工程中常出现耐火材料减薄/脱落、销钉端部烧损、水冷壁管爆管等问题，影响了销钉水冷壁的正常使用和设备寿命，并有安全风险。

为了更好地了解销钉式水冷壁结构的温度场分布，为结构设计和优化提供数据支撑，可采用自主通用多物理场仿真平台Simdroid软件进行热场分析和参数化仿真APP封装。设计工程师使用封装的仿真APP，无需考虑仿真细节，却可掌握产品性能。本案例详细介绍了采用Simdroid进行销钉水冷壁热仿真和无代码化APP封装的流程，供用户参考。

1、结构介绍

如下图所示，销钉水冷壁结构由水冷壁管、扁钢、圆柱形销钉、SiC耐火材料组成。

图1  销钉水冷壁结构示意图

在工程中，不同的热负荷工况，对销钉水冷壁的冷却性能有不同的要求。水冷壁管、扁钢、销钉以及耐火材料的耐热性能也决定这个结构的设计尺寸。在进行销钉水冷壁设计时，通过对其进行温度场分析，可保证结构的设计在相应的热负荷下既满足换热性能需要，也满足结构安全性的要求。

2、参数定义

要在设计中快速确定销钉水冷壁结构是否满足换热性能及安全性要求，可通过参数化仿真分析来实现。要进行参数化分析，首先要定义好需要关注的参数，包括结构尺寸、材料参数、网格划分尺寸、载荷等参数。同时，参数之间还可以通过表达式来定义相互关系。

图2  Simdroid参数定义界面

3、几何建模

Simdroid提供了常用的几何建模工具，能够实现各种三维模型的构建。本案例通过先建立草图，然后进行拉伸、阵列、布尔运算（差集、并集等），实现销钉水冷壁结构的几何模型创建。

在进行几何模型创建过程中，相应的尺寸（如管子直径、管子壁厚、销钉长度、销钉直径、扁钢厚度、耐火层厚度、管子节距等）均可以选择之前定义好的参数进行约束。

图3  草图中利用参数定义几何尺寸

图4  销钉水冷壁三维模型

4、网格划分

Simdroid提供了完善的网格剖分功能，支持用户采用不同的剖分方式进行网格剖分：提供扫掠、映射等多种剖分方式，支持体、面、边等尺寸控制。

本案例中，管子、扁钢、销钉均采用扫掠剖分，耐火层选择四面体剖分。

图5  钉水冷壁网格模型

5、求解设置

求解设置包括赋予材料属性，设置不同体之间的连接关系、初始条件、求解控制、输出控制，施加边界条件等。

图6  材料赋值及接触设置

对于热分析，接触热阻也是影响计算结果的一个关键因素。Simdroid提供接触热阻设置菜单，并可以实现参数化，方便工程师考察不同热阻的影响。

销钉水冷壁的边界条件为：

1）耐火层表面施加热流密度；

2）管子内壁施加对流换热边界；

3）未敷设耐火层一侧施加对流换热边界。

图7  边界条件示意

图8  分析设置界面

分析设置完成后，提交计算。

6、结果后处理

Simdroid提供了丰富的图形显示和数据处理功能。本案例中，可以通过云图查看指定物体结构部位的温度分布、热流等数据。

图9  管子、销钉、扁钢温度分布云图

图10  整体温度分布云图

图11  切片显示某一剖面的温度

7、仿真流程封装

通常，仿真流程的封装是一个技术门槛较高的工作，需要工程师既懂仿真，又懂软件开发，一个简单的结构仿真流程封装往往需要多个专业的工程师花费数天甚至数月的时间。如果能将仿真过程中的一些关键环节进行预封装，形成便捷的菜单、按钮、对话框等工具，工程师只需要在软件界面上选择合适的工具进行组合，就能便捷地对仿真流程进行封装，那必将大大降低仿真流程封装的技术门槛，提高封装效率。

Simdroid平台就是基于这一想法，对仿真流程中涉及到的过程进行了预封装，将仿真流程中的所有环节开发成相应的便捷化菜单、按钮、对话框等封装工具。工程师使用Simdroid完成仿真流程后，通过平台自带的APP开发器，基于界面上的各种快捷工具，采用“拖、拉、拽”的方式即可快速封装仿真流程。

图12  Simdroid仿真APP开发界面

利用Simdroid，作者只花费了10余分钟的时间，就完成了对销钉水冷壁温度场仿真流程的封装。APP界面如下图所示。

图13  销钉水冷壁热仿真APP-管子温度场分布

图14  销钉水冷壁热仿真APP-销钉温度场分布

图15  销钉水冷壁热仿真APP-耐火层温度场分布

利用Simdroid平台封装好的仿真APP，可以导出为*.APP格式的文件存放到本地，供Simdroid读取使用。还可以通过编译方式，将仿真过程中使用到的软件功能进行轻量化打包，形成*.exe格式的文件，该可执行文件可以脱离Simdroid平台在任意电脑端独立使用，用户无需安装Simdroid软件。

更为便捷的是，封装好的仿真APP还可以上传到工业仿真APP商店Simapps平台，云原生部署与在线应用。用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地云平台用仿真。访问Simapps在线体验本案例仿真APP。

8、结语

利用自主通用多物理场仿真PaaS平台Simdroid，通过参数化建模的方法，对销钉水冷壁结构进行了参数化建模及热分析。基于Simdroid提供的无代码化仿真APP开发功能，对仿真流程进行封装，形成了参数化仿真APP。通过该APP，可以方便地进行销钉水冷壁参数化热分析，用户只需要通过APP界面调整相应的参数，就可以自动完成仿真流程，大大提高了仿真的效率和准确性。利用APP的参数化仿真功能，可方便地考察结构尺寸、材料、温度边界等参数对温度场分布的影响，有助于销钉水冷壁结构设计和优化，以提高其性能和可靠性。

同时，Simapps平台支持企业产商将仿真APP的在线计算界面内嵌到官方网站产品宣传页，或将仿真APP的二维码植入到产品介绍手册，为需求端用户展示产品的科学设计方式及产品性能，提供使用场景的仿真分析。仿真APP可以赋能每一个工业品，助力企业提升产品竞争力。访问Simapps申请使用Simdroid平台开发（定制）属于您自己的仿真APP。