【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 荷狀態(tài)下和彎曲載荷狀態(tài)下的曲線。（3）第三階段（1963至今）該階段是以非常有力的理論方法的出現(xiàn)為界限，這些理論方法能夠確定三角形開孔排列形式和正方形多孔排列形式下的孔間帶系數(shù)η的函數(shù)、E/E*和γ*值。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合一致。對(duì)于管板溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布，Gardner[14]的研究指出：管板中只在靠近表面的一層金屬中存在較大的溫度梯度，因此只會(huì)在管板的這部分表面存在顯著的熱應(yīng)力，其余部分的熱應(yīng)力較小，這種現(xiàn)象稱為“表皮效應(yīng)”。同時(shí)，ASME設(shè)計(jì)規(guī)范中管板熱應(yīng)力分布也采用的是“表皮效應(yīng)”解釋。需要指出的是，Gardner的研究并未充分考慮到管板附近流場(chǎng)對(duì)傳熱的影響。而考慮到實(shí)際換熱器中流體流動(dòng)對(duì)對(duì)流傳熱的影響，管板的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布要復(fù)雜很多?！Q熱器數(shù)值模擬分析　換熱器管板數(shù)值模擬，前人對(duì)管板的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，這些成就主要集中在等效管板理論及其應(yīng)用。因?yàn)榈刃Ч馨謇碚摦吘故且环N近似方法，和真實(shí)值之間總有一定偏差。隨著20世紀(jì)末計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的興起，對(duì)換熱器管板的數(shù)值模擬也逐步發(fā)展。由于管板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在上世紀(jì)八十年代和九十年代初由于計(jì)算機(jī)水平的限制，基本無(wú)法對(duì)一個(gè)上千根管子的實(shí)際換熱器進(jìn)行有限元模擬，為此Singh與Holtz[15]，Ohol etal[16]，Kasahara與Iwata[17]等進(jìn)行了各種簡(jiǎn)化模型的計(jì)算。1990年，徐定耿等[18]應(yīng)用SAP5和SAP6程序，首次突破等效管板理論，176。和45176。管板扇區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。并將其結(jié)果與等效圓平板理論的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。分析的結(jié)果表明，對(duì)密集程度很高的方形排列的孔板可選取適當(dāng)角度扇區(qū)來(lái)處理。1997年，太原工業(yè)大學(xué)的劉俊明等[19]應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)基于等效管板理論的厚管板進(jìn)行了分析。結(jié)論認(rèn)為管板的最大應(yīng)力發(fā)生在管板與管箱連接的過(guò)度圓弧處。同年，針對(duì)固定管板式換熱器管板應(yīng)力，陳罕[20]提出了一種新的有限元分析方法。這種方法采用軸對(duì)稱一維蛻化板單元與殼單元，連同常用的8節(jié)點(diǎn)等參二維單元和彈簧單元使用，能較好地模擬固定管板式換熱器管板—管束—?dú)んw—法蘭—膨脹節(jié)系統(tǒng)，并有較高的計(jì)算精度和較靈活的結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力。1999年，李永錫等[21]對(duì)某乙烯裝置第二急冷鍋爐的管板進(jìn)行了有限元分析。他們?nèi)匀徊捎肁NSYS軟件，分析了管板的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不同的是他們考慮了溫差應(yīng)力的影響。2004年，胡錫文[22]等應(yīng)用ANSYS軟件，用實(shí)體單元建立了考慮管子、殼體以及墊片壓力影響的薄管板計(jì)算模型。其中建立的管子的數(shù)目為32根，對(duì)處在溫度和壓力載荷共同作用下的換熱器管板進(jìn)行了模擬計(jì)算。同時(shí)對(duì)單獨(dú)的管板（不考慮管子和殼體及管箱結(jié)構(gòu)）模型進(jìn)行了熱分析，得到了管板上的溫差應(yīng)力的分布。同年，Weiya Jin等[23]對(duì)比了換熱器模擬中管單元和桿單元的準(zhǔn)確度。研究發(fā)現(xiàn)管單元模型能夠得到更為準(zhǔn)確的應(yīng)力，但是耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)；而桿單元模型得到的結(jié)果足夠精確，較適合于管板的計(jì)算。2005年，劉海亮等[24]應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)某換熱器建立了包括管箱、部分殼體和換熱管影響的管板有限元實(shí)體模型，通過(guò)模擬得到了溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)。2009年，Qian等[25]對(duì)比了實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧趽Q熱器分析中的準(zhǔn)確性。Qian等人對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)體單元模型和梁殼單元模型均能得到滿意的結(jié)果。而梁?jiǎn)卧谀M中比實(shí)體單元需要更少的計(jì)算機(jī)資源，所以推薦使用梁殼單元分析?！Q熱器流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算流體力學(xué)（putational fluid dynamics簡(jiǎn)稱CFD）、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、理論流體力學(xué)是研究流動(dòng)的三種主要手段。用實(shí)驗(yàn)來(lái)作為基本研究方法，可以得到有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)結(jié)果受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作水平等因素影響，且費(fèi)用相對(duì)較高。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析軟件獲得了迅速的發(fā)展。相比于實(shí)驗(yàn)的方法，CFD的長(zhǎng)處是適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用廣、費(fèi)用低。CFD中可以選擇不同流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行各項(xiàng)研究和優(yōu)化試驗(yàn)，有較大的靈活性，同時(shí)CFD能給出比較完整的流場(chǎng)信息。但由于離散化的處理，CFD存在誤差甚至錯(cuò)誤。從以上的介紹可知，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩種方法可以互補(bǔ)長(zhǎng)短，相互驗(yàn)證[26]。隨著CFD的逐步完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬進(jìn)行了一些研究。所采用的模擬方法主要分為直接數(shù)值模擬法和多孔介質(zhì)模型法。人們?cè)趯?duì)換熱器的局部特征和小型的換熱器進(jìn)行研究時(shí)，可以直接進(jìn)行數(shù)值模擬，而對(duì)于大型換熱器，只能用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬。兩種方法的區(qū)別是：直接數(shù)值模擬是將流體、固體分別劃入不同的控制體，定義不同的物性來(lái)表示。這種方法適用于較簡(jiǎn)單的模型處理。多孔介質(zhì)模型是將流體、固體劃人同一個(gè)控制體，通過(guò)對(duì)守恒方程的修改來(lái)表現(xiàn)固體的影響。多孔介質(zhì)模型模擬適合較為復(fù)雜的模型，但由于多孔介質(zhì)模型將流體、固體劃人同一個(gè)控制體的簡(jiǎn)化，多孔介質(zhì)模擬存在一定誤差[27]。但實(shí)際工程中換熱器內(nèi)的換熱管數(shù)可達(dá)數(shù)百根甚至上千根，計(jì)算模型較大，無(wú)法進(jìn)行直接模擬，目前主要使用多孔介質(zhì)模型[[28]。本文主要探討流場(chǎng)參數(shù)的改變對(duì)管板熱應(yīng)力的影響，所以重點(diǎn)關(guān)心的是管板附近的流場(chǎng)區(qū)域，故計(jì)算模型相對(duì)較小，采用直接模擬方法?！”疚牡难芯磕康暮蛢?nèi)容　研究目的管殼式換熱器在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用，管板在工程中是易發(fā)生事故的部件之一。其發(fā)生原因有多種，在高溫高壓下服役的管殼式換熱器，有可能是溫度引起的熱應(yīng)力。蒸汽發(fā)生器是核工程中較易發(fā)生事故的設(shè)備之一，發(fā)生事故的原因是與管板連接的換熱管管口處斷裂。通常人們把破壞原因歸結(jié)為應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞，從選材等方面去解決問(wèn)題。但清華大學(xué)的吳德勝和薛明德[29]通過(guò)理論分析得到結(jié)論，認(rèn)為失效部位的熱應(yīng)力非常明顯，也可能是造成失效的重要原因。只有準(zhǔn)確地求出管板的溫度場(chǎng)，才能得到精確的管板應(yīng)力分布情況。近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值分析法在管板研究及設(shè)計(jì)上的應(yīng)用成為可能，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用實(shí)體模型來(lái)比較真實(shí)地模擬管板復(fù)雜的真實(shí)結(jié)構(gòu)以及真實(shí)載荷與其他邊界條件。目前，這是其他任何分析方法都難以與之相比的。 在換熱器管板的設(shè)計(jì)模型中，傳統(tǒng)的方法是施加溫度載荷和對(duì)流載荷的分析模型。而用流固耦合分析模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分析模型更為合理。本課題擬利用流固耦合分析模型，分析研究流體流動(dòng)狀態(tài)的改變對(duì)換熱器管板熱應(yīng)力場(chǎng)的影響?！⊙芯?jī)?nèi)容（1）利用ANSYS FLOTRAN軟件，建立換熱器管板的流固耦合有限元計(jì)算模型，研究不同流場(chǎng)條件對(duì)管板溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)的影響； （2）根據(jù)不同條件下的管板熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，討論換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計(jì)。第二章　　換熱器管板的三維有限元模型　管板的基本參數(shù)　主要結(jié)構(gòu)尺寸換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖21所示，為單管程單殼程結(jié)構(gòu)。換熱管布管圖如圖22所示。幾何模型的主要尺寸見表21。圖21　　換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖22　　換熱器布管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表21　　幾何模型的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)符號(hào)尺寸/mm管板厚度h30管板外直徑Dt219筒體外直徑Ds219筒體厚度ts換熱管外直徑d25換熱管厚度t　工藝條件換熱器的主要工藝參數(shù)具體見表22。表22　　換熱器的主要工藝參數(shù)項(xiàng)目管程殼程工作介質(zhì)導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油設(shè)計(jì)壓力/MPa1010設(shè)計(jì)溫度/℃300160工作溫度/℃(進(jìn)口/出口)320/285150/185　物性數(shù)據(jù)換熱器管板主體和管箱筒體采用14Cr1Mo鍛件，殼程筒體采用20MnMo鍛件，換熱管材質(zhì)為15CrMo。考慮到14Cr1Mo、20MnMo、15CrMo的熱物理和彈性性能接近，分析中將它們視為同種材料。由于換熱器用材料溫度變化范圍較大，因此計(jì)算時(shí)需要考慮材料性能隨溫度的變化，具體數(shù)據(jù)見表23。熱交換介質(zhì)均為高壓下的導(dǎo)熱油，具體數(shù)據(jù)見表24。表23　　換熱器用材料的物性數(shù)據(jù) 溫度參數(shù)0℃100℃200℃300℃400℃密度 kg/m378507850785078507850比熱 J/(kgK)熱導(dǎo)率 W/(mK)線膨脹系數(shù)1061/℃彈性模量 GPa207203198190180泊松比表24　　流體物性數(shù)據(jù) 溫度參數(shù)100℃200℃300℃360℃密度 kg/m3987917847720比熱 J/(kgK)1830212224202600熱導(dǎo)率 W/(mK)粘度 105Pas2807030　模型簡(jiǎn)化本文采用流固耦合分析方法，所考慮的模型包含了管板附近的流體和固體部分。在建模過(guò)程中，主要有以下幾方面的簡(jiǎn)化：（1）忽略換熱管在管箱側(cè)的伸出長(zhǎng)度；（2）認(rèn)為換熱管和管板緊密結(jié)合，不考慮換熱管與管板的接觸問(wèn)題；　有限元模型的建立　實(shí)體模型的合理切分在常用流場(chǎng)分析前處理軟件，如ICEM CFD和GAMBIT中常用“O形環(huán)”處理圓柱形流體網(wǎng)格，如圖23所示?！癘形環(huán)”能畫出優(yōu)質(zhì)的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且易于對(duì)流體邊界層加密處理。在ANSYS中雖然沒(méi)有這樣的“O形環(huán)”網(wǎng)格劃分功能，但是只要合理的切分體也能畫出這樣的網(wǎng)格。從圖23中我們可以看到“O形環(huán)”的實(shí)質(zhì)是先用一個(gè)正四邊形來(lái)逼近圓形，達(dá)到直線網(wǎng)格和弧線網(wǎng)格的過(guò)度。鑒于本課題的具體模型，作者借鑒“O形環(huán)”的網(wǎng)格劃分思想，采用正六邊形來(lái)逼近圓形，且在換熱管內(nèi)部和外部分別切分出內(nèi)部“O形環(huán)”和外部“O形環(huán)”，實(shí)體切分情況如圖24所示。圖23　　“O形環(huán)”示意圖圖24　　單個(gè)換熱管及其內(nèi)外流體切分示意圖按照?qǐng)D24的的體切分不僅有利于生成規(guī)則的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且便于加密換熱管內(nèi)外壁面流場(chǎng)的網(wǎng)格，如圖25所示。而且正六邊形的“O形環(huán)”還有利于形成完整的換熱器模型，如圖26所示。整體幾何模型建立如圖27所示。圖25　　單個(gè)“O形環(huán)”網(wǎng)格劃分　換熱器有限元模型的建立為了得到較為準(zhǔn)確的管板溫度分布情況，需要先得到較為準(zhǔn)確的流場(chǎng)分布情況，因此本模型僅在殼程部分對(duì)流體進(jìn)口部分進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，以保證管板附近流場(chǎng)的準(zhǔn)確性。熱－流體耦合分析采用8節(jié)點(diǎn)六面體流體單元FLUID142，熱應(yīng)力分析采用8節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)分析單元SOLID45。兩者可以相互轉(zhuǎn)化，比較適用于本模型。圖26　　整體幾何模型前視圖圖27　　整體幾何模型斜視圖圖28和圖29為建立的有限元模型，其中固體部分見圖210所示，流體部分見圖211所示，管板的網(wǎng)格劃分情況如圖212所示。比起自由網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在壁面處能夠更好地表達(dá)與壁面的一致。因此本文在建模過(guò)程中盡量使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，且在壁面處多采用加密處理，以滿足邊界層的網(wǎng)格需求。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在殼程流體的進(jìn)口位置附近有少量的自由網(wǎng)格，其幾何模型如圖213所示，其網(wǎng)格如圖214所示，其網(wǎng)格剖分圖如圖215所示。除去殼程進(jìn)口位置附近的網(wǎng)格外，其余網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖28　　整體模型網(wǎng)格劃分正視圖　小結(jié)本章通過(guò)對(duì)換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸、工藝條件以及物性數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。有限元模型采用改進(jìn)后的“O形環(huán)”進(jìn)行網(wǎng)格劃分，僅對(duì)殼程進(jìn)口部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，盡量使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以保證管板附近流場(chǎng)的準(zhǔn)確性。圖29　　整體模型網(wǎng)格劃分斜視圖圖210　　固體模型網(wǎng)格劃分斜視圖（殼體隱去1/2）圖211　　流體模型網(wǎng)格劃分斜視圖圖212　　管板網(wǎng)格劃分斜視圖圖213　　殼程進(jìn)口處非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格幾何體圖214　　殼程進(jìn)口處非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖圖215　　殼程進(jìn)口處非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖（隱去1/2） 第三章　　換熱器管板的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析　溫度場(chǎng)的結(jié)果分析模擬得到的固體模型溫度場(chǎng)分布云圖如圖31所示。其中管板部分的溫度場(chǎng)分布云圖如圖32所示，管板對(duì)稱截面處的溫度場(chǎng)分布云圖如圖33所示。圖31　　換熱器溫度場(chǎng)分布云圖為了更好地描述管板溫度場(chǎng)分布情況，在管板厚度方向上取5條路徑，如圖34所示。路徑14是分別按其距殼程進(jìn)口的距離選取的，路徑1最近，路徑4最遠(yuǎn)，路徑2與路徑5距離殼程進(jìn)口管的距離相差很少。path1~path4的溫度分布曲線對(duì)比如圖35所示，path2的溫度分布曲線見圖36，path2與path5的溫度分布對(duì)比見圖37。從圖35可以看出路徑1的溫度梯度很大，但溫度上升平緩。路徑2存在一定的溫度梯度，但其溫度梯度小于路徑1的溫度梯度。而路徑3和路徑4則存在極小的溫度梯度。由圖36可以看出，在不到管板厚度1/3的距離，路徑2溫度就上升了整個(gè)溫度梯度的一半。說(shuō)明路徑2處存在一定程度的“表皮效應(yīng)”，但不是很明顯。圖32　　管板溫度場(chǎng)分布云圖圖33　　管板對(duì)稱截面處的溫度場(chǎng)分布云圖圖34　　管板的路徑分布圖圖35　　路徑14的溫度分布曲線圖36　　路徑2的溫度分布曲線圖37　　路徑2與路徑5的溫度分布曲線對(duì)比由圖37，可以看出，路徑5的溫度梯度比路徑2大。同時(shí)，路徑5在5mm的長(zhǎng)度上溫度上升了整個(gè)溫度梯度的一半，存在較明顯的“表皮效應(yīng)”。當(dāng)流體通過(guò)殼程進(jìn)口管進(jìn)入筒體后，由于流動(dòng)場(chǎng)體積的變大，流速會(huì)有一個(gè)急劇的下降過(guò)程。為了更好地描述管板溫度場(chǎng)分布情況，取管板殼程側(cè)的部分流體進(jìn)行分析，管板殼程側(cè)部分流體的速度分布云圖如圖38所示。從圖38中可以看出，在靠近殼程入口管的區(qū)域流速較高，在遠(yuǎn)離殼程入口管的區(qū)域流速較低，而路徑1到路徑4附近的流體流速依次降低，這與路徑14的溫度梯度變化保持一致。雖然路徑5和路徑2距離殼程入口管距離差別很