基于ANSYS的LNG船用超低溫閥門的數(shù)值模擬分析

吳若菲 柳建華 吳堂榮 葛琪林 朱立偉

(1上海理工大學制冷技術(shù)研究所 上海 200093)

(2中國船舶重工業(yè)集團公司七○四研究所 上海 200031)

1 引 言

作為清潔能源，LNG是當今世界增長最快的能源。目前，在世界一次能源結(jié)構(gòu)中，天然氣的比重已達25%。天然氣以其高效、優(yōu)質(zhì)、清潔等優(yōu)異性能及廣泛用途，將成為21世紀人們利用最多的能源形式。近年來，加快天然氣的應(yīng)用成為全球性趨勢，預(yù)計到2015年天然氣產(chǎn)量將超過原油，成為世界第一大能源［1］。2008年4月3日，由中船集團公司所屬滬東中華造船集團有限公司自主建造的中國第一艘LNG船成功交付，標志著中國基本掌握了世界造船尖端技術(shù)，打破了國外在該領(lǐng)域的壟斷局面。隨著LNG工業(yè)的發(fā)展以及中國自主研發(fā)LNG船的成功，中國開始對船用LNG超低溫閥門進行了自主研發(fā)。

超低溫閥門的工作溫度極低(77 K)，因此在設(shè)計這類閥門時，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計原則外，還有一些特殊的要求。其中重要的一點就是要求閥門的結(jié)構(gòu)保證填料處于0℃以上的溫度環(huán)境下工作，例如采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠些，起到保護填料函的功能。

填料函的密封性是低溫閥的關(guān)鍵之一。該處如有泄漏，將造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿的正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏［2］。

一種新型閥門的開發(fā)從設(shè)計、制作、加工裝配不僅需要消耗大量的人力、物力以及財力，有時，設(shè)計出的新型閥門不能保證預(yù)期的性能指標，因此近年來，閥門的虛擬設(shè)計與仿真是閥門設(shè)計的一種重要的方式，可對產(chǎn)品的性能給出初步的評價，浙江大學的金滔［3］，中國科學院等離子體物理研究所的丁小東［4］分別對低溫截止閥和低溫調(diào)節(jié)閥進行了低溫試驗下的動態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析，提出了通過在氮氣環(huán)境里添加礦棉保溫材料來提高填料函的溫度。本文采用ANSYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺對通徑為DN15的LNG船用超低球閥門進行熱力分析，從而判定所設(shè)計的閥門閥頸長度是否合理，并且研究了結(jié)構(gòu)因素對填料函溫度的影響。

2 模 型

2.1 模型的建立和有限元網(wǎng)格劃分

設(shè)計的超低溫閥門為DN15超低溫球閥。超低溫球閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼，低溫介質(zhì)為1MPa的液氮，表1，表2分別為不銹鋼材料以及氮的物性參數(shù)隨溫度的變化。由于閥門呈中心面對稱，因此取其對稱的一半進行建模，采用熱分析單元SOLID87進行網(wǎng)格劃分。圖1，圖2為DN15超低溫球閥開啟和關(guān)閉時簡化后的模型。

表1 不銹鋼物性參數(shù)［5］Table 1 Material property of Stainless steel

表2 氮的物性參數(shù)(1 MPa)［6］Table 2 Material property of nitrogen

2.2 數(shù)學模型

由于材料的物性是隨溫度變化的，且考慮到輻射傳熱，因此該熱分析屬于非線性熱分析。

閥門在管路中打開以及關(guān)閉模擬的是穩(wěn)態(tài)分析，因此穩(wěn)態(tài)熱分析的控制方程為:

圖1 開啟狀態(tài)時的網(wǎng)格劃分1.閥頸;2.閥桿;3.閥體。Fig.1 Grid model of opening state

相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)非線性平衡方程為:

圖2 關(guān)閉狀態(tài)時的網(wǎng)格Fig.2 Grid mode of closed state

方程可以等效為:

式中:［Qnr］為內(nèi)部節(jié)點熱流矢量，由計算單元熱流得出，［Qa］為載荷引起的節(jié)點熱流矢量。

初始條件下，內(nèi)部節(jié)點熱流不等于施加的節(jié)點載荷。不平衡熱流矢量是兩個矢量的差值:

求解過程中使用牛頓－拉夫森方法，具體步驟如下:

(1)求解系統(tǒng)方程的增量形式

(2)更新節(jié)點溫度。

(3)由單元熱流計算內(nèi)部節(jié)點熱流速率。

(4)計算收斂結(jié)果與收斂準側(cè)比較。

(5)迭代。

3 管路開啟與關(guān)閉工況下的穩(wěn)態(tài)溫度計算

3.1 邊界條件

閥門外表面按對流換熱條件和輻射換熱條件設(shè)定，閥門外環(huán)境溫度為298 K，對流換熱系數(shù)取10［W/(m2·K)］。Stenfan-Bolzman常數(shù)為 5.67×10－8。對稱面取絕熱邊界條件。由于閥門工作溫度很低，穩(wěn)定時，閥門流道內(nèi)表面溫度接近介質(zhì)溫度，閥門流道內(nèi)表面溫度設(shè)定為77 K。

3.2 結(jié)論分析

在管路中閥門開啟與關(guān)閉時，閥頸的長度要求能夠滿足填料函不凍結(jié)的要求，在設(shè)定的邊界條件下通過改變閥頸的長度得到與之相對應(yīng)的填料函底部溫度。圖3是超低溫球閥在管路中開啟狀況下的溫度分布，填料函底部的溫度為274.59 K，圖4是超低溫球閥在管路中關(guān)閉狀況下的溫度分布，填料函底部的溫度為275.89 K。

圖3 開啟狀態(tài)時的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution of opening state

圖4 關(guān)閉狀態(tài)時的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of closed state

4 超低溫閥門結(jié)構(gòu)尺寸對填料函底部溫度的影響

超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內(nèi)處于冷端溫度下(77 K)，閥體外表面與環(huán)境空氣進行自然對流換熱，冷量一部分從徑向傳遞到外部環(huán)境中，一部分軸向傳遞到閥桿的頂部。由于閥門各零件的接觸不可能達到完全密封，閥門流道里有一小部分的介質(zhì)會汽化，使得閥桿與閥體間隙處充滿了氣體，閥桿與閥體內(nèi)壁溫存在溫差，不僅產(chǎn)生熱輻射，也可能導致間隙內(nèi)的氣體產(chǎn)生自然對流，增強了徑向的熱量傳遞。再者，閥頸厚度的改變，也會填料函底部的溫度產(chǎn)生影響。因此在超低溫閥門的設(shè)計過程中要考慮閥頸厚度和閥頸與閥桿之間的間隙對超低溫閥門溫度場的影響。

4.1 閥桿與閥頸間隙尺寸對填料函底部溫度的影響

4.1.1 流場分析

本模型將閥頸與閥桿之間的內(nèi)部看做是豎直封閉夾層的自然對流換熱，夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度δ為特征長度的Grδ數(shù)［7］。

當Grδ極低時換熱依靠純導熱。隨著Grδ的提高，會依次出現(xiàn)向?qū)恿魈卣鬟^度的流動(環(huán)流)、層流特征的流動、湍流特征的流動。

定性溫度為:

在豎直夾層，通過夾層的換熱量應(yīng)是導熱和輻射換熱兩者之和。當Grδ≤2 860時，夾層中經(jīng)過氣體介質(zhì)的熱量傳遞主要為純導熱和輻射換熱兩者之和，在夾層中氣體介質(zhì)熱量傳遞處于純導熱狀態(tài)時，由于氣體的導熱熱阻很大，其熱量傳遞量較小，當夾層壁面間溫差較小時，輻射傳熱量也小，傳熱量可以忽略;當夾層壁面間溫差稍大，所引起的輻射換熱增加，輻射傳熱量就不能忽略。當Grδ>2 860時，夾層中經(jīng)過氣體介質(zhì)的熱量傳遞就不是熱輻射加純導熱過程，會出現(xiàn)自然對流，純導熱就改變?yōu)閷α鲹Q熱，熱傳遞量大大增加。利用上述公式理論計算出，在尺寸設(shè)計范圍內(nèi)，Grδ≤2 860，因此，夾層中經(jīng)過氣體介質(zhì)的熱量傳遞主要為純導熱和輻射換熱兩者之和。

4.1.2 溫度場分析

當閥頸厚度，閥頸長度不變時，圖3，圖5，圖6分別是閥桿與閥頸之間的間隙有1 mm，3 mm，5 mm的閥門溫度分布圖。

圖5 間隙為3 mm時的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of 3 mm gap

圖6 間隙為5 mm時的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of 5 mm gap

從圖中結(jié)果可以看出，當閥桿與閥頸之間的間隙尺寸變厚時，填料函底部的溫度降低，溫度分別為274.59 K，273.84 K，272.52 K，但是數(shù)值變化很小。圖7所示為閥桿與閥頸間隙對填料函底部的溫度的影響。

圖7 閥桿與閥頸間隙對填料函底部的溫度的影響Fig.7 Influence of gap between valve stem and valve neck to temperature

模擬結(jié)果表明，當間隙內(nèi)通過氣體的換熱處于純導熱加輻射傳熱時，由于氮氣的導熱系數(shù)小，在通過間隙的傳熱過程中，導熱所占傳熱量的份額很小，同時由于閥桿與閥頸間隙尺寸度較小，模擬取值的氮氣隙對整體閥門的溫度分布影響很小。因此在進行超低溫閥門的設(shè)計時，閥桿與閥頸間間隙在尺寸設(shè)計值范圍內(nèi)，間隙尺寸對填料函底部溫度的影響可以忽略不計。

4.2 閥頸的厚度對填料函底部溫度的影響

當閥頸與閥桿之間的間隙厚度和閥頸長度不變時，圖3，圖8，圖9分別是閥頸的厚度有4 mm，6 mm，8 mm的閥門溫度分布圖，從圖中結(jié)果可以看出，當閥頸厚度變厚時，填料函底部的溫度明顯降低，溫度分別為274.59 K，263.32 K，259.35 K。圖10所示為閥頸厚度對填料函底部的溫度的影響。

圖8 閥頸頸部厚度為6 mm時的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of 6 mm-thick-neck valve neck

圖9 閥頸頸部厚度為8 mm時的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of 8 mm-thick-neck valve neck

圖10 閥頸厚度對填料函底部的溫度的影響Fig.10 Influence of valve neck thickness to temperature of bottom of stuffing box

模擬結(jié)果表明，當閥頸與閥桿之間的間隙厚度和閥頸長度不變時，隨閥頸厚度增加，填料函處的溫度有較明顯下降。圖10為閥頸厚度對填料函的溫度的影響。模擬揭示了長頸閥蓋閥頸厚度是影響填料函底部溫度的重要因素之一，進行小口徑的超低溫閥門的設(shè)計時，在滿足強度的前提下盡可能減小閥頸的厚度。

5 結(jié) 論

運用有限元分析軟件ANSYS對DN15船用LNG超低溫球閥進行了開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的建模和有限元分析。得出了這兩種工作狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。

(1)設(shè)計的DN15船用超低溫球閥的尺寸，在超低溫球閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)下，均能滿足填料函底部不凍結(jié)現(xiàn)象。

(2)對于DN15船用超低溫球閥，閥頸的厚度是影響填料函底部溫度的重要影響因素，隨著閥頸尺寸變厚，填料函底部的溫度明顯下降。閥頸與閥桿之間的間隙對填料函底部的溫度影響很小。

(3)在進行DN15船用超低溫閥門的設(shè)計時，當閥頸長度不變時在保證閥門強度的條件下可減少閥頸的厚度，提高填料函底部的溫度。

1 British Petroleum.B P Statistical Review of World Energy［Z］.［S.1.］:British Petroleum，2002.

2 楊源泉.閥門設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社.

3 金 滔，夏雨亮，洪劍平，等.低溫閥門冷態(tài)試驗的動態(tài)傳熱過程模擬與分析［J］.低溫工程，2007，158(4):35-38.

4 丁小東，歐陽崢嶸，張緒德.低溫閥門冷態(tài)試驗的穩(wěn)態(tài)模擬與分析［J］.低溫與超導，2008，36(6):22-25.

5 閻守勝，等編.低溫物理實驗的原理與方法［M］.北京:科學出版社.

6 NIST Standard Reference Database 23，Version，8.0

7 楊世銘，等編.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社.