变径管的数值传热模拟分析

徐钰涞，刘思宇

（中核辽宁核电有限公司，辽宁兴城 125100）

0 引言

管件是设备间相互连接的重要部件之一，具有连接、变向、控制等功能。变径管可采用缩径或扩径压制等方法制造而成，通常应用于管道需要变径处，可以改变管道内部流质的流量、流速及压力，避免管道无法承受规定的压力而发生损坏，以此来满足工艺系统的正常运行。

1 模型预处理

ANSYS 是一种有限元分析软件，可用于实现结构、热、流体等的分析[1]。变径管的三维模型可以由截面绕中心轴线旋转一周而成（图1），故可只取其截面进行分析。本次在ANSYS 本体中进行几何模型的建立，采用PLANE55 平面热单元进行有限元分析，网格尺寸为1 mm。内部流质为水，壁厚为3 mm，泊松比为0.28，弹性模量为2.01011Pa，线膨胀系数为1.0110原6mm/，导热系数为48.9 W/（m·），管内温度为100、压力为0.4 MPa，管外温度为15、压力为0.1 MPa，环境温度为12，高温流质置于管道内部，低温流质置于管道外部，在此基础条件下，对其进行温度场及温差应力分析，考虑其实际工况，在温差应力基础上再进行机械载荷的应力分析。

图1 变径管三维模型

2 热分析

热分析主要是通过温差产生的热载荷进而求出温度分布场，因为材料的传热性质与温度之间存在一定的非线性关系，所以热分析可以作为非线性分析的一个基本过程[2]。经模拟计算得到温度云图（图2、图3），图中变径管的最高温度分布在管道内壁，而最低温度却分布于外壁，径向温度以均匀过渡方式由管道内壁至外壁呈递减变化，与实际工况相符。

温度变化的快慢与方向称为热梯度，温差与热阻是影响热梯度的两个重要因素，其中热阻是材料的固有属性，而温差依靠系统流程设定。从图3 可以看出，热梯度集中于收缩段，且最大热梯度出现在同心异径管内壁收缩段首处与外壁收缩段末处，故此处的温度变化较大。其原因为收缩段处的压力大且流速整体呈递增趋势变化，对应存在较大的热应力，会出现局部变形或破坏等缺陷，而最小热梯度位置恰好与最大热梯度位置对应相反。

图2 变径管温度

图3 变径管热梯度局部放大

3 热应力分析

在热分析基础上，采用间接耦合法进行应力分析得到其热应力场[3]。在热转应力分析的过程中，结构单元改变，由PLANE55 转化为PLANE182，设置求解前各物性参数，并将热分析中求得的温度场作为载荷施加于应力分析中，定义求解的边界约束条件，计算得到热应力云图（图4）。可以得知沿管道径向，热应力从管道外壁至内壁是逐渐增大的，与上述温度的变化趋势相符，而最大热应力发生于管道内壁收缩段首处与管道外壁收缩段末处，与温度梯度的变化趋势相符。其原因为该处的热梯度最大，即温差变化最大，故此位置易发生变形或损坏缺陷。

4 机械应力分析

变径管在实际工况下需要承受热应力与机械应力，故模拟实际工况对其在热应力基础上施加机械载荷进行机械应力分析，在热应力场的载荷施加条件下，对管内外部分别施加0.4 MPa 的内压与0.1 MPa 的外压，再重新计算求解得到机械应力云图（图5），从图中可以看出，最大机械应力发生于管道内壁收缩段首处与管道外壁收缩段末处，其原因为该处所受的热梯度与压力最大，且变径管从入口至出口处的流速呈递增变化趋势，故此位置易发生破坏缺陷。

图4 变径管热应力

图5 变径管机械应力

5 结论

通过对变径管进行传热特性分析可以得出，最高温度分布在管道内壁而最低温度分布于外壁，径向温度以均匀过渡方式由管道内壁至外壁呈递减变化，而热梯度却集中于收缩段，且最大热梯度出现在内壁收缩段首处与外壁收缩段末处，最小热梯度位置恰好与最大热梯度位置对应相反。热应力从管道外壁至内壁是逐渐增大的，而最大热应力与机械应力发生于管道内壁收缩段首处与管道外壁收缩段末处，与温度梯度的变化趋势相符。