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 機械工程學院，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的方法計算得到了在不同進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構進行熱應力分析，得到了閥體結構的應力云圖與位移云圖。通過對云圖的分析證明了方案設計的合理性，并為今后的改進提供理論依據。

流固耦合；控制方程；CFD；熱應力

隨著真空行業(yè)的發(fā)展，真空系統(tǒng)的應用越來越廣泛，對真空設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)中至關重要。由于真空閥門關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，必須對閥體進行冷卻處理。實際工程中，高溫閥體的水冷主要采用冷卻流道內的液體帶走熱量的主動冷卻方式。該過程包括流體的流動和傳熱、閥體本身的熱傳導以及流體和閥體交界面的傳熱，是一個典型的流固耦合傳熱問題。流固耦合問題屬于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）范疇[1]，本文使用CFD方法，通過求解流體力學的控制方程，對研究對象進行模擬和分析。

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.進水口 C.出水口

1 數學模型

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與傳熱、流體和固體界面的傳熱和固體內部的熱傳導。耦合傳熱主要體現在流固交界面熱傳導和熱對流的耦合，交界面處的流體與結構相互作用，此處的邊界條件由動態(tài)換熱決定而不能預先設定，必須聯立求解?？刂品匠讨饕ü腆w的導熱方程，流體的質量、動量和能量方程[3]等。

1.1 流體控制方程

考慮冷卻管道內為不可壓縮流動，流場的控制方程為[4]如下。

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

冷卻水入口流速初設為＝1 m/s，查水的物性表有＝20℃時，＝998.2 kg/m3，＝1.004×10-3Pa·s，特征長度＝8×10-3m，計算出入口雷諾數為：

因此管道流場屬于湍流流動，湍流模型采用標準的－方程[5]。

1.2 固體導熱方程

考慮固體結構的初始溫度為室溫，結構外壁面的左表面有穩(wěn)定熱流載荷，其固體導熱方程為[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為固體導熱系數，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 熱應力應變方程

由此前的固體導熱方程可得到結構的溫度場，將其聯合彈塑性力學邊界條件和初始條件可求解得到應力場和應變場，該過程為彈塑性結構的熱應力分析?？紤]閥門材料為理想塑性的，其應力應變方程為[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，應滿足如下約束方程：

式中：為應力，MPa；為交界面的單位法向量；為應變；為熱流量，W；為溫度，℃；下標表示流體；下標表示固體。

2 模擬仿真

在流體與固體交界面采用流固耦合法（FSI，Fluid Solid Interaction）進行方程的聯立，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]對這兩種算法進行了詳細比對，兩種方法都是在各個域分別建立交界面，各個物理場的矩陣單獨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算，可以節(jié)約計算資源。此外，CFX與ANSYS結構力學產品具有天然雙向連接，使最復雜的流固耦合問題處于簡便使用的環(huán)境內[9]，可方便隨后的溫度場分析及結構力學模擬。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)結構力學模擬。

2.1 模型網格

將閥體模型導入Workbench中的CFX工作欄，設置求解器為CFD，在DM工具中對模型進行合并固體域、設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格，網格類型為四面體單元，其中固體域網格具有269022個結點、171569個單元，流體域網格具有20520個結點、9753個單元。

2.2 物性參數

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。為在計算機上實現問題的模擬分析，需要定義固體和流體的物理性能參數，如表1、表2所示。

表1 碳鋼（C0.4%）溫況－物性參數表

表2 液態(tài)水溫況－物性參數表

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兩個進水口條件設為一致，包括入口流速、入口水溫和出口水壓。其中入口流速根據經驗從1～5 m/s分五次等差進行試算，入口水溫均設置為20℃，出口水壓設置為均壓0.4 MPa。

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

3 結果與分析

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的變化，如表3所示?？梢?，出口流速大致與入口流速呈現2:1的關系，這是因為流道由兩個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，當入口流速等于1 m/s時，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，相同時間內被帶走的熱量增多。

表3 冷卻效果參數表

根據流場出口溫度和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，Г面溫度到達臨界點，為了方便配制水泵且考慮Г面溫度安全系數，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，其中彎道內側流速減小、彎道外側流速增加；當通過彎道后，水流速度回到穩(wěn)定狀態(tài)，保持在2 m/s左右；當水流通過匯流處時，流速驟增，此處流體中心的速度達到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中流體的熱導率變化不大相吻合。在流道出口的附近，流體外表的溫度達到了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附近也形成了局部高溫，溫度在70.9℃左右，形成機制和水冷堵頭附近一致。

閥體的溫度場分布如圖7所示，由于結構具有對稱性，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閥壁內，從殼體左側高溫端面到右側低溫端面的溫度變化最為劇烈，這個區(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；冷卻管道的內表面處于最低溫度帶，且內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；閥體主體結構位于第七溫度帶，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 應力應變分析

為研究流場和溫度場對結構應力的耦合作用，截取包含流道的固體應力云圖如圖8所示。觀察流道附近的應力變化可知，流場對結構的應力影響微乎其微，閥體的應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，管道的應力主要集中于此，因此在管道設計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生變形，所以應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，應力最高點位于閥體的棱角部分，需要對棱角部位進行擴大倒角處理。

圖8 閥體應力截面圖

為了使結構變形一目了然，對閥體結構進行連續(xù)截斷，得到圖9。由于閥體底面不能產生變形，所以在熱流載荷的作用下，閥體由底端至頂端產生了連續(xù)膨脹變形，且應變關于閥體中央基本對稱。從兩端到中央應變等值面寬度遞增，說明越靠近頂端中央的區(qū)域變形越大。此外，在等值面經過冷卻通道時，變形量出現波動，這主要是考慮管道結構導致閥壁處于薄壁層狀態(tài)，在同樣的溫度變化下應變更大，因此設計時可考慮增加壁厚以防止結構破壞。

圖9 閥體變形斷層圖

4 結論

本文首先分析了真空閥門熱流固耦合的數學模型，然后通過網格劃分、CFX計算、穩(wěn)態(tài)溫度場計算、穩(wěn)態(tài)結構場計算等手段，利用已知條件采用基于CFD的數值方法對閥體的流固耦合問題進行模擬仿真和熱應力分析，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力應變圖，為閥門的設計改進提出了一些意見和建議。后經實驗驗證，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的離心壓縮機葉輪流固耦合仿真分析[J]. 機械，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)動機冷卻水套優(yōu)化設計[J]. 機械，2014，41（9）：35-39.

[3]陶文銓. 數值傳熱學[M]. 西安：西安交通大學出版社，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力分布數值模擬[C]. 中國力學學會：第一屆高超聲速科技學術會議論文集，2008.

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

[7]劉鴻文. 材料力學[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[8]宋宏偉，紀科星，黃晨光，等. 主動冷卻通道熱流固耦合三維數值計算及構型應力分析[C]. 中國力學學會：第三屆高超聲速科技學術會議會議文集，2010.

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

[10]王文全，郝棟偉，張立翔. 滑移界面位置對葉輪機械內部旋轉流場的影響[J]. 北京理工大學學報，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準化與新模式應用項目：高真空分子泵智能制造車間（2016062）；四川省科技廳項目：大型智能環(huán)境模擬設備制造技術及應用（2016GZ0159）

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