彭川桃，羅陽*,，周博，黃斐月，宋敏

基于CFD的真空閥流固耦合及熱應(yīng)力分析

彭川桃1，羅陽*,1，周博1，黃斐月1，宋敏2

（1.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610041；2.九川真空科技（成都）有限公司，四川 成都 610213）

以大型高溫真空閥門的主動(dòng)冷卻為研究對象，建立了閥體和流體的三維耦合分析模型。首先考慮閥體內(nèi)冷卻通道受穩(wěn)定水流及均勻熱流載荷的共同作用，分析了該共軛傳熱問題的控制方程。然后利用CFD的方法計(jì)算得到了在不同進(jìn)水流速下流體的流場和閥體冷卻效果。最后選擇最優(yōu)流速下的穩(wěn)態(tài)溫度場作為熱載荷對閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力分析，得到了閥體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖與位移云圖。通過對云圖的分析證明了方案設(shè)計(jì)的合理性，并為今后的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

流固耦合；控制方程；CFD；熱應(yīng)力

隨著真空行業(yè)的發(fā)展，真空系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，對真空設(shè)備的要求也隨之提高。真空閥門作為在真空系統(tǒng)中用來改變氣流方向、調(diào)節(jié)氣流量大小、切斷或者接通管路的元件，在真空系統(tǒng)中至關(guān)重要。由于真空閥門關(guān)閉件多采用橡膠密封圈來密封，在高溫工況下，為防止密封圈失效，必須對閥體進(jìn)行冷卻處理。實(shí)際工程中，高溫閥體的水冷主要采用冷卻流道內(nèi)的液體帶走熱量的主動(dòng)冷卻方式。該過程包括流體的流動(dòng)和傳熱、閥體本身的熱傳導(dǎo)以及流體和閥體交界面的傳熱，是一個(gè)典型的流固耦合傳熱問題。流固耦合問題屬于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）范疇[1]，本文使用CFD方法，通過求解流體力學(xué)的控制方程，對研究對象進(jìn)行模擬和分析。

本文以一大型真空閘閥的閥體為研究對象，閥體高溫側(cè)通過真空管與真空爐連接，真空爐烘烤溫度約400℃，要求閥體密封面Г（圖1）溫度不超過200℃，采取主動(dòng)冷卻方式降溫，其中，閥體外形尺寸為1290 mm×145 mm×225 mm，真空管道外形尺寸為1290 mm×25 mm×170 mm，二者中央有1140 mm×45 mm的通口。閥體高溫側(cè)的閥壁上有兩條連貫的8 mm的冷卻通道，冷卻液為水，如圖2所示，忽略閥體的熱輻射及內(nèi)腔的對流換熱，閥體多余熱量全部由冷卻水帶走，已知入口水溫為20℃，水壓為0.4 MPa。

圖1 閥體密封面示意圖

A/B.進(jìn)水口 C.出水口

1 數(shù)學(xué)模型

考慮高溫面受到真空爐穩(wěn)定熱流載荷的閥體在冷卻水流的作用下的流固耦合傳熱[2]問題，該過程包括管道流體的流動(dòng)與傳熱、流體和固體界面的傳熱和固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。耦合傳熱主要體現(xiàn)在流固交界面熱傳導(dǎo)和熱對流的耦合，交界面處的流體與結(jié)構(gòu)相互作用，此處的邊界條件由動(dòng)態(tài)換熱決定而不能預(yù)先設(shè)定，必須聯(lián)立求解?？刂品匠讨饕ü腆w的導(dǎo)熱方程，流體的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程[3]等。

1.1 流體控制方程

考慮冷卻管道內(nèi)為不可壓縮流動(dòng)，流場的控制方程為[4]如下。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

冷卻水入口流速初設(shè)為＝1 m/s，查水的物性表有＝20℃時(shí)，＝998.2 kg/m3，＝1.004×10-3Pa·s，特征長度＝8×10-3m，計(jì)算出入口雷諾數(shù)為：

因此管道流場屬于湍流流動(dòng)，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的－方程[5]。

1.2 固體導(dǎo)熱方程

考慮固體結(jié)構(gòu)的初始溫度為室溫，結(jié)構(gòu)外壁面的左表面有穩(wěn)定熱流載荷，其固體導(dǎo)熱方程為[6]：

初始溫度0＝20℃，有：

穩(wěn)定熱流載荷輸入面（圖3）邊界條件：

在冷卻管壁面，由溫度和熱流的連續(xù)性條件有：

式中：T為固體溫度，℃；k為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；為單位面積的熱流量，W；為比熱容，kJ/(kg·K)。

圖3 熱流載荷圖

1.3 熱應(yīng)力應(yīng)變方程

由此前的固體導(dǎo)熱方程可得到結(jié)構(gòu)的溫度場，將其聯(lián)合彈塑性力學(xué)邊界條件和初始條件可求解得到應(yīng)力場和應(yīng)變場，該過程為彈塑性結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析?？紤]閥門材料為理想塑性的，其應(yīng)力應(yīng)變方程為[7]：

1.4 耦合方程

該流固耦合傳熱問題遵循基本守恒原則，因此流固耦合交界面處，應(yīng)滿足如下約束方程：

式中：為應(yīng)力，MPa；為交界面的單位法向量；為應(yīng)變；為熱流量，W；為溫度，℃；下標(biāo)表示流體；下標(biāo)表示固體。

2 模擬仿真

在流體與固體交界面采用流固耦合法（FSI，F(xiàn)luid Solid Interaction）進(jìn)行方程的聯(lián)立，針對耦合問題ANSYS提供了兩種求解算法：多域單代碼耦合（MFS，Multi-Field-Single code coupling）和多域多代碼耦合（MFX，Multi-Field- Multiple code coupling）。宋宏偉等[8]對這兩種算法進(jìn)行了詳細(xì)比對，兩種方法都是在各個(gè)域分別建立交界面，各個(gè)物理場的矩陣單獨(dú)求解直至交界面之間的傳遞載荷收斂為止，但是MFS方法是在同一求解器中完成多物理場耦合計(jì)算，可以節(jié)約計(jì)算資源。此外，CFX與ANSYS結(jié)構(gòu)力學(xué)產(chǎn)品具有天然雙向連接，使最復(fù)雜的流固耦合問題處于簡便使用的環(huán)境內(nèi)[9]，可方便隨后的溫度場分析及結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬。因此，本文采用MFS方法在CFX求解器中研究該真空閥的流固耦合問題，結(jié)合工具Steady-State Thermal和Static Structural分別做穩(wěn)態(tài)溫度場分析和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬。

2.1 模型網(wǎng)格

將閥體模型導(dǎo)入Workbench中的CFX工作欄，設(shè)置求解器為CFD，在DM工具中對模型進(jìn)行合并固體域、設(shè)置邊界面和填充流體等前處理工作。對流體固體分別劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為四面體單元，其中固體域網(wǎng)格具有269022個(gè)結(jié)點(diǎn)、171569個(gè)單元，流體域網(wǎng)格具有20520個(gè)結(jié)點(diǎn)、9753個(gè)單元。

2.2 物性參數(shù)

分析模型中固體域材料采用中碳鋼（C0.4%），流體域采用液態(tài)水。為在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)問題的模擬分析，需要定義固體和流體的物理性能參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 碳鋼（C0.4%）溫況－物性參數(shù)表

表2 液態(tài)水溫況－物性參數(shù)表

2.3 邊界條件

對于流體，考慮到方便循環(huán)水冷裝置的配置，將A和B兩個(gè)進(jìn)水口條件設(shè)為一致，包括入口流速、入口水溫和出口水壓。其中入口流速根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從1～5 m/s分五次等差進(jìn)行試算，入口水溫均設(shè)置為20℃，出口水壓設(shè)置為均壓0.4 MPa。

對于固體，將熱流載荷面設(shè)置為恒溫400℃，由于輻射帶走的熱量較小，在此不考慮輻射的影響，再加上閥體內(nèi)部為真空環(huán)境，可以忽略對流換熱，于是設(shè)置除高溫面的其他外表面和內(nèi)表面為絕熱。對于流固交界面，考慮本模型中水為理想流體沒有粘性，整個(gè)流場包括邊界都沒有剪切作用，于是將其設(shè)定為無滑移邊界面[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流速分析

以不同入口流速作為加載，其他條件不變的情況下分別模擬分析得出了流體出口流速、出口溫度和密封面Г溫度等衡量冷卻效果的重要物理參數(shù)的變化，如表3所示?？梢?，出口流速大致與入口流速呈現(xiàn)2:1的關(guān)系，這是因?yàn)榱鞯烙蓛蓚€(gè)8的通道匯流而成，且本研究模型為滿足連續(xù)方程的牛頓流體。另外，當(dāng)入口流速等于1 m/s時(shí)，出口水溫為112.4℃，處于高溫高壓的狀態(tài)，流體的溫升過大。隨著流速的增加，出口水溫不斷下將，流體溫升不斷減小，Г面溫度不斷下將，相同時(shí)間內(nèi)被帶走的熱量增多。

表3 冷卻效果參數(shù)表

根據(jù)流場出口溫度和Г面溫度隨著入口流速的變化而變化繪制了圖4。隨著入口流速的增加，出口溫度曲線和Г面溫度曲線的斜率都在降低，說明流體來不及帶走更多的熱量，即冷卻能力隨著流速的增加在降低。如圖4所示，在入口流速為1.66 m/s時(shí)，Г面溫度到達(dá)臨界點(diǎn)，為了方便配制水泵且考慮Г面溫度安全系數(shù)，選擇2 m/s作為最優(yōu)入口流速。下面將展開最優(yōu)入口流速狀態(tài)下的詳細(xì)分析。

流體的流線如圖5所示，可見：從入口到彎道這段水流速度基本保持2 m/s，變化不大；在彎道處，水流速度突變，其中彎道內(nèi)側(cè)流速減小、彎道外側(cè)流速增加；當(dāng)通過彎道后，水流速度回到穩(wěn)定狀態(tài)，保持在2 m/s左右；當(dāng)水流通過匯流處時(shí)，流速驟增，此處流體中心的速度達(dá)到4.6 m/s，這是流量不變但橫截面積驟減所致；最后水流速度又回到穩(wěn)定狀態(tài)，保持在4 m/s左右。

圖4 冷卻效果曲線

圖5 流體流線圖

3.2 溫度場分析

流體的溫度場分布如圖6所示，冷卻水在管道內(nèi)逐漸升溫，且等值面的寬度基本一樣，說明冷卻水溫升速度變化不大，即吸熱力穩(wěn)定。這也與表2中流體的熱導(dǎo)率變化不大相吻合。在流道出口的附近，流體外表的溫度達(dá)到了81℃，但平均出口溫度在77.6℃左右。在靠近水冷堵頭的兩端，水流停止，形成局部高溫，此處水溫穩(wěn)定在53.9℃左右。在靠近出口的直流道起點(diǎn)附近也形成了局部高溫，溫度在70.9℃左右，形成機(jī)制和水冷堵頭附近一致。

閥體的溫度場分布如圖7所示，由于結(jié)構(gòu)具有對稱性，截取1/2作分析。觀察可知，密封面Г處溫度在190.2℃附近，滿足密封圈工作要求。由于冷卻管道位于左側(cè)閥壁內(nèi)，從殼體左側(cè)高溫端面到右側(cè)低溫端面的溫度變化最為劇烈，這個(gè)區(qū)域包含了圖中的所有溫度帶。其中，左端面處于最高溫度帶；冷卻管道的內(nèi)表面處于最低溫度帶，且內(nèi)表面前端至后端的溫度逐漸升高；密封面Г處于第二和第三溫度帶之間，在常規(guī)橡膠圈的工作溫度范圍內(nèi)；閥體主體結(jié)構(gòu)位于第七溫度帶，穩(wěn)定在320℃左右。

圖6 流體溫度場云圖

圖7 閥體溫度場云圖

3.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

為研究流場和溫度場對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的耦合作用，截取包含流道的固體應(yīng)力云圖如圖8所示。觀察流道附近的應(yīng)力變化可知，流場對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響微乎其微，閥體的應(yīng)力主要來源于熱流載荷。由于管道拐角區(qū)域或管道末端存在尖角，管道的應(yīng)力主要集中于此，因此在管道設(shè)計(jì)上可以考慮全部打通孔，在必要部位采用水冷堵頭封流。此外，由于閥體底面為安裝面，被固定的安裝面不能產(chǎn)生變形，所以應(yīng)力主要集中在閥體底面，但由于底面屬于非重要部位，故可不更改安裝方案。最后，應(yīng)力最高點(diǎn)位于閥體的棱角部分，需要對棱角部位進(jìn)行擴(kuò)大倒角處理。

圖8 閥體應(yīng)力截面圖

為了使結(jié)構(gòu)變形一目了然，對閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)截?cái)啵玫綀D9。由于閥體底面不能產(chǎn)生變形，所以在熱流載荷的作用下，閥體由底端至頂端產(chǎn)生了連續(xù)膨脹變形，且應(yīng)變關(guān)于閥體中央基本對稱。從兩端到中央應(yīng)變等值面寬度遞增，說明越靠近頂端中央的區(qū)域變形越大。此外，在等值面經(jīng)過冷卻通道時(shí)，變形量出現(xiàn)波動(dòng)，這主要是考慮管道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致閥壁處于薄壁層狀態(tài)，在同樣的溫度變化下應(yīng)變更大，因此設(shè)計(jì)時(shí)可考慮增加壁厚以防止結(jié)構(gòu)破壞。

圖9 閥體變形斷層圖

4 結(jié)論

本文首先分析了真空閥門熱流固耦合的數(shù)學(xué)模型，然后通過網(wǎng)格劃分、CFX計(jì)算、穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場計(jì)算等手段，利用已知條件采用基于CFD的數(shù)值方法對閥體的流固耦合問題進(jìn)行模擬仿真和熱應(yīng)力分析，求解得到滿足閥體工作溫度的最優(yōu)入口流速為2 m/s，并分析了該狀態(tài)下流體的流場和溫度場以及固體的溫度場和熱應(yīng)力應(yīng)變圖，為閥門的設(shè)計(jì)改進(jìn)提出了一些意見和建議。后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，閥門在此冷卻條件下能夠穩(wěn)定工作，不會因工況溫度高而導(dǎo)致密封圈過早失效。

[1]李星峰，王玲，殷國富. 基于ANSYS-CFX的離心壓縮機(jī)葉輪流固耦合仿真分析[J]. 機(jī)械，2018，45（5）：14-18.

[2]張輝平，胡在雙. 基于流固耦合傳熱的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2014，41（9）：35-39.

[3]陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[4]H. K. Versteeg，W. Malalasekera. An Introduction to ComputationalFluid Dynamics[M]. 2nd edition. The Finite Volume Method，Pearson Education，2007.

[5]張健，黃晨光. 方形管耦合傳熱及管道熱應(yīng)力分布數(shù)值模擬[C]. 中國力學(xué)學(xué)會：第一屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會議論文集，2008.

[6]M. N. Ozisik.Heat Conduction[M]. New York：Wiley，1980.

[7]劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[8]宋宏偉，紀(jì)科星，黃晨光，等. 主動(dòng)冷卻通道熱流固耦合三維數(shù)值計(jì)算及構(gòu)型應(yīng)力分析[C]. 中國力學(xué)學(xué)會：第三屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會議會議文集，2010.

[9]劉斌. Fluent19.0流體仿真從入門到精通[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2019.

[10]王文全，郝棟偉，張立翔. 滑移界面位置對葉輪機(jī)械內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流場的影響[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（9）：890-894.

Fluid-Solid Coupling and Thermal Stress Analysis of Vacuum Valve Based on CFD

PENG Chuantao1，LUO Yang1，ZHOU Bo1，HUANG Feiyue1，SONG Min2

(1.School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610041, China;2.JiuChuan Vacuum Technology (Chengdu) Co., Ltd., Chengdu 610213, China)

Taking the active cooling of large high temperature vacuum valve as the research object, the three-dimensional coupling analysis model of valve body and fluid is established. Firstly, the governing equation of the conjugate heat transfer problem is analyzed on the basis of the fact that the cooling channel in the valve body is affected by the steady flow and uniform heat flow loads. Then the flow field and cooling effect of the valve body at different inlet velocities are calculated through CFD method. Finally, the static temperature field at the optimal flow rate is selected as the thermal load to analyze the thermal stress of the valve body structure, and the stress and displacement cloud diagrams of the valve body structure are obtained. Through the analysis of the cloud image, the rationality of the scheme design is proved, and the theoretical basis is provided for the improvement in the future.

fluid-solid coupling；governing equation；CFD；thermal stress

TB756

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.03.003

1006－0316 (2021) 03－0017－06

2020－09－07

工信部智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目：高真空分子泵智能制造車間（2016062）；四川省科技廳項(xiàng)目：大型智能環(huán)境模擬設(shè)備制造技術(shù)及應(yīng)用（2016GZ0159）

彭川桃（1996－），男，重慶人，碩士，主要研究方向?yàn)镃AE仿真。*通訊作者：羅陽（1969－），男，四川成都人，博士，教授，主要研究方向?yàn)镃AE仿真，E-mail：drluoyang@scu.edu.cn。