戚璦娜 劉蘭君 李海濤

商丘工學(xué)院（476000）

Ansys軟件應(yīng)用于模擬鍋爐煙氣傳熱過(guò)程產(chǎn)生的若干問(wèn)題分析

戚璦娜 劉蘭君 李海濤

商丘工學(xué)院（476000）

Ansys軟件應(yīng)用運(yùn)行過(guò)程中會(huì)由于模擬的對(duì)象不同導(dǎo)致出現(xiàn)問(wèn)題不同，由此以多燃式常壓熱水鍋爐為例，分析處理各工作階段，即建模階段、劃分網(wǎng)格階段、求解前設(shè)置階段出現(xiàn)的問(wèn)題，每個(gè)階段所用的軟件分別為Autocad、Workbench、Fluent。

Ansys軟件；建模；劃分網(wǎng)格；求解前設(shè)置

0 引言

鍋爐行業(yè)到了發(fā)展瓶頸期，研究鍋爐煙氣的傳熱過(guò)程對(duì)于改造鍋爐結(jié)構(gòu)和行業(yè)進(jìn)步起到重要的作用。ANSYS軟件模擬流體傳熱過(guò)程的運(yùn)用較為廣泛，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中往往由于操作不當(dāng)或者其他問(wèn)題出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，如模型創(chuàng)建不合格、網(wǎng)格檢查出錯(cuò)等。

1 工作階段分析

1.1 創(chuàng)建模型

創(chuàng)建模型可采用軟件 Mechanical APDL Prouduct Lancher，創(chuàng)建復(fù)雜的模型比較麻煩，可采用軟件Solid work、Autocad、Gambit等。創(chuàng)建鍋爐模型比較復(fù)雜，采用軟件Autocad。繪制內(nèi)徑0、外徑1 000 mm、長(zhǎng)2 650 mm的圓柱體2個(gè)，編號(hào)1、2；繪制內(nèi)徑0、外徑980 mm、長(zhǎng)2 650 mm的圓柱體，編號(hào)3；繪制內(nèi)徑0、外徑60 mm的圓柱體，編號(hào)4；繪制內(nèi)徑0、外徑100 mm的圓柱體，編號(hào)5；繪制內(nèi)徑0，外徑20 mm的圓柱體，編號(hào)6；繪制內(nèi)徑280 mm，外徑為300 mm的圓柱體，編號(hào)7。調(diào)整為西南等軸測(cè)狀態(tài)，圓柱體3與1，同一側(cè)圓心重合，差集將3與1重合的減掉，變成內(nèi)徑為980 mm和外徑為1 000 mm的圓柱殼體。繪制輔助線找到特殊重合點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)與圓柱體4、5、6、7重合，然后利用差集將多余部分減掉，并給這個(gè)空腔圓柱體兩端繪制端蓋。尺寸內(nèi)徑為0，外經(jīng)為980 mm,長(zhǎng)度為15 mm的圓柱體，再用并集運(yùn)算將端蓋與殼體合并為一個(gè)鍋爐殼體后復(fù)制一份。在西南等軸測(cè)視圖中顯示的平面圓上繪制輔助線，定位出V字型隔板的平面位置。先繪制出V字型隔板側(cè)平面，然后設(shè)置好傾斜面。操作過(guò)程中容易出現(xiàn)背向掃掠，設(shè)置UCS坐標(biāo)考慮好傾斜角度以免超出鍋爐本體之外。繪制隔板后再設(shè)置隔板支柱，設(shè)置四個(gè)圓柱體在V字型隔板的下部起支撐作用，用布爾運(yùn)算將隔板和支柱并集后與鍋爐殼體差集（如圖1所示），得到鍋爐本體模型。

圖1 V字型隔板

1.2 劃分網(wǎng)格

模型創(chuàng)建后輸出以英文命名為guolu.sat文件，打開(kāi)workbench，進(jìn)入界面后雙擊file→import→，找到guolu.sat文件，打開(kāi)（如圖2所示）。選擇Toolbox下“Fluid Flow(CFX)”紅色框區(qū)，將此命令拖到Geometry位置后出現(xiàn)命令選項(xiàng)（如圖3所示）；雙擊上圖的Mesh后進(jìn)入了網(wǎng)格劃分模塊 （如圖4所示）。單擊模型顯示區(qū)域的上方有一個(gè)Name selection菜單，在左側(cè)菜單樹(shù)里顯示出selection1、selection2、selection3、selection4名稱。將顯示出Slection子菜單重新命名，單擊右鍵后出現(xiàn)Insert菜單，選擇菜單Rename重新命名為inlet01、inlet02、out01、out02。單擊inlet01后單擊面選擇命令，選擇入口小圓面為入口1后在左側(cè)菜單樹(shù)下單擊No selection跳出Apply選項(xiàng)菜單，Apply后完成面的選取。依次選取面分別為 inlet02、out01、out02。單擊左側(cè)菜單樹(shù)的Mesh命令，單擊Update后網(wǎng)格劃分，或單擊Mesh命令下的generate mesh。網(wǎng)格問(wèn)題顯示錯(cuò)誤Patchconforming tetrahedron mesh failed possibly because of bad boundary mesh和錯(cuò)誤A mesh could not begenerated using the current meshing options and settings.Hint：The problem geometry areas might have been highlighted.Switching to wireframe mode may make them more visible。主要因?yàn)檫吔缇W(wǎng)格沒(méi)有細(xì)化，需調(diào)整網(wǎng)格尺寸的細(xì)節(jié)，單擊Mesh后選擇左邊側(cè)菜單樹(shù)Details of mesh,將Sizing展開(kāi)修改Min size和Max face size后單擊update,至正確為止。單擊file后選擇Export為后綴為.msh文件，注意文件名為英語(yǔ)字符。

圖2 workbench界面

圖3 Geometry界面

圖4 網(wǎng)格劃分模塊

1.3 Fluent求解設(shè)置

1.3.1 網(wǎng)格檢查問(wèn)題

有多種方法將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent，在CFD內(nèi)點(diǎn)擊 File菜單里的 Save projiect后關(guān)閉CFD回到Workbench界面，右鍵Mesh的Thansfer to new菜單創(chuàng)建新的Fluent Cell,在新的Fluent界面里右鍵Fluent下的Update進(jìn)行更新后，單擊Set up后的Edit進(jìn)入Fluent界面。或?qū)luent打開(kāi)進(jìn)入界面，單擊File導(dǎo)入后綴為.msh文件進(jìn)行求解。進(jìn)入Fluent后首先要求對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查，檢查方法是點(diǎn)擊 Mesh的 Check或者 General菜單里的Check命令，但是由于劃分網(wǎng)格時(shí)的問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)檢查失敗的情況，在信息命令操作區(qū)跳出Error：Mesh Check Failed。對(duì)于這種錯(cuò)誤和誤差可以通過(guò)Mesh菜單下的Polyhedra的Convert Domain命令，然后進(jìn)行檢查是否出現(xiàn)Mesh Check Failed。再次錯(cuò)誤說(shuō)明只是轉(zhuǎn)換多面體已經(jīng)不能解決問(wèn)題了，在信息操作區(qū)域輸/Solver/intilize/repair-wall-distance后回車，操作完畢單擊Check命令。出現(xiàn)無(wú)法檢查后單擊Fluent的左側(cè)菜單樹(shù)里的Solution命令，勾選Solution-Initialization中的hybrid initialization命令后左鍵initial。通過(guò)這些命令操作可以解決檢查失敗的問(wèn)題。

1.3.2 求解設(shè)置

首先對(duì)求解器進(jìn)行設(shè)置，選擇文件操作區(qū)域的Genneral的Solver命令，求解器的類型選擇以基于Density命令的，即本次流動(dòng)基于密度的流動(dòng)，Velocity Formulation選擇絕對(duì)速度。時(shí)間求解器類型選擇瞬態(tài)流動(dòng)，考慮重力的影響，重力加速度定為Y方向?yàn)?9.81m/s2，Units設(shè)置為統(tǒng)一國(guó)標(biāo)單位。

其次對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，本次模擬的鍋爐煙氣傳熱，存在冷熱兩股流體溫度傳遞過(guò)程，單擊energy打開(kāi)能量方程，傳熱過(guò)程存在兩相流體，熱煙氣與水，打開(kāi)Multiphase進(jìn)行多相設(shè)置根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇K-e量方程作為求解的黏性方程，不存在熱輻射、換熱器等的問(wèn)題，將Radiation、Heat-exchanger、Solidification and Melting、Acoustic關(guān)閉。由于存在水滴和煙氣的流動(dòng)擴(kuò)散所以將Discrete Phase打開(kāi)，且煙氣組分的擴(kuò)散對(duì)于溫度的傳遞有影響，需要考慮將Sepcies打開(kāi)。模擬中鍋爐煙氣的傳熱過(guò)程存在流動(dòng)與傳熱耦合問(wèn)題，計(jì)算能量方程前可以先求解流動(dòng)方程,然后打開(kāi)能量方程，最終獲得問(wèn)題的完整解。

3 結(jié)論

通過(guò)分析與處理，基本解決了鍋爐傳熱過(guò)程的模擬前期出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)于后續(xù)的物性參數(shù)、邊界條件、求解方法、求解控制參數(shù)、求解監(jiān)控等根據(jù)煙氣的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱理論知識(shí)分析得最終模擬結(jié)果，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理，再與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出所要的結(jié)論。