蒸汽管道热分析实例提升技能

外径为50mm的蒸汽管道外表面温度为400℃，其外包裹有厚度为40mm，热导率为0.11W/（m·K）的矿渣棉，矿渣棉外又包有厚为45mm的煤灰泡沫砖，其热导率为0.1 W/（m· K）。煤灰泡沫砖外表面温度为50℃，如图8-45所示。已知煤灰泡沫砖最高耐温为300℃，试分析煤灰泡沫砖层的温度是否超过最高温度。计算长度取200mm。

图8-45 蒸汽管道模型

操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“steamtube”，如图8-46所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-46 “Change Jobname”对话框

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Steady state thermal analysis of steam tube”，如图8-47所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-47 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Steady state thermal analysis of steam tube”显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Thermal”选项，如图8-48所示。单击“OK”按钮确认。

图8-48 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图8-49所示。然后单击“Enter”键确认。

图8-49 输入单位命令

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图8-50所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Quad 4node 55”单元，如图8-51所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图8-50 “Element Types”对话框

图8-51 “Library of Element Types”对话框

3）在“Element Types”对话框中单击“Options…”按钮，弹出“PLANE55 element type options”对话框，选择K3下拉列表选项为“Axisymmetric”，单击“OK”按钮完成轴对称单元行为设置，如图8-52所示。

图8-52 设置轴对称单元行为

4）单击“Close”按钮关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图8-53所示。

图8-53 “Define Material Model Behavior”对话框

2）在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number1”对话框，在“KXX”文本框中输入0.11，如图8-54所示。单击“OK”按钮返回。

图8-54 “Conductivity for Material Number 1”对话框

3）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞New Model”命令，弹出“Define Material ID”对话框，输入2，单击“OK”按钮，在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number2”对话框，在“KXX”文本框中输入0.1，单击“OK”按钮返回，如图8-55所示。

图8-55 定义材料属性2

4）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口，完成材料模型属性的定义。

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（0.025，0）、（0.065，0.2），创建矩形面，如图8-56所示。

图8-56 几何尺寸创建矩形面

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（0.065，0.2）、（0.11，0），创建矩形面，如图8-57所示。

图8-57 几何尺寸创建矩形面

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Areas”命令，弹出“Glue Areas”对话框，单击“Pick All”按钮选择所有面，单击“OK”按钮完成粘接运算，如图8-58所示。

图8-58 粘接运算

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Picked Areas”命令，弹出“Area Attributes”对话框，拾取最左侧的面，单击“OK”按钮，弹出“Area Attributes”对话框，在“Material number”下拉列表中选择“1”，单击“OK”按钮完成面单元属性设置，如图8-59所示。

图8-59 设置面单元属性(www.xing528.com)

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Picked Areas”命令，弹出“Area Attributes”对话框，拾取最右侧的1个面，单击“OK”按钮，弹出“Area Attributes”对话框，在“Material number”下拉列表中选择“2”，单击“OK”按钮完成面单元属性的设置，如图8-60所示。

图8-60 设置面单元属性

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Lines＞Picked Lines”命令，弹出“Elem Sizes on Picked Lines”对话框，用鼠标选择所有短边，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，输入分段数4，单击“OK”按钮完成线尺寸设置，如图8-61所示。

图8-61 设置线尺寸

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Lines＞Picked Lines”命令，弹出“Elem Sizes on Picked Lines”对话框，用鼠标选择要所有长边，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，输入分段数20，单击“OK”按钮完成线尺寸设置，如图8-62所示。

图8-62 设置线尺寸

5）在网格工具中选择分网对象为“Areas”，网格形状为“Quad”，选择分网形式为“Mapped”，然后单击“Mesh”按钮，弹出“Mesh Areas”对话框，单击“Pick All”按钮拾取所有面，单击“OK”按钮生成网格，如图8-63所示。

6）单击“Mesh Tool”对话框中的“Close”按钮关闭网格划分工具。

图8-63 生成网格

9.施加边界条件和载荷

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply TEMP on Lines”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“TEMP”，在“Load TEMP value”文本框中输入数值400，单击“OK”按钮完成约束，如图8-64所示。

图8-64 在线上施加温度约束

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply CONV on Lines”对话框，在“Film coefficient”文本框中输入对流数值8，在“Bulk temperature”文本框中输入50，单击“OK”按钮完成约束，如图8-65所示。

图8-65 在线上施加对流换热

10.求解

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图8-66所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图8-66 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图8-67所示。单击“Close”按钮关闭。

图8-67 “Note”对话框

11.后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞By Nodes”命令，弹出“By Nodes”对话框，选择坐标Y=0的所有节点，单击“OK”按钮，弹出“By Nodes”对话框，在“Define Path Name”文本框中输入路径名称Y0，单击“OK”按钮创建路径，如图8-68所示。

图8-68 通过节点创建路径

2）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Map onto Path”命令，弹出“Map Result Items onto Path”对话框，在“User label for item”文本框中输入TY0，选择要映射的结果项“Temperature”，单击“OK”按钮完成，如图8-69所示。

图8-69 映射路径数据

3）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operation＞Plot Path Item＞On Graph”命令，弹出“Plot of Path Items on Graph”对话框，在“Path items to be graphed”列表中选择路径TY0，单击“OK”按钮，显示温度随距离的变化，如图8-70所示。

图8-70 沿着径向温度分布曲线图

4）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operation＞Plot Path Item＞On Geometry”命令，弹出“Plot of Path Items on Geometry”对话框，在“Path items to be graphed”列表中选择路径TY0，单击“OK”按钮，显示温度随距离的变化云图，如图8-71所示。

图8-71 沿着径向温度分布云图

5）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“Nodal Solution＞DOF Solution＞Nodal Temperature”选项，单击“OK”按钮显示温度等值线图，如图8-72所示。

图8-72 温度等值线图

6）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Style＞Symmetry Expansion＞2D Axi-Symmetric”命令，弹出“2D Axi-Symmetric Expansion”对话框，选择“3/4 expansion”选项，单击“OK”按钮，显示三维扩展的温度分布云图，如图8-73所示。

图8-73 三维扩展的温度分布云图

7）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Style＞Symmetry Expansion＞2D Axi-Symmetric”命令，弹出“2D Axi-Symmetric Expansion”对话框，选择“No expansion”选项，单击“OK”按钮取消三维扩展的温度分布云图。

8）选择“Utility Menu＞Parameters＞Get Scalar Data”命令，弹出“Get Scalar Data”对话框，在左侧列表中选择“Results data”，在右侧列表中选择“Nodal results”，如图8-74所示。

图8-74 “Get Scalar Data”对话框

9）单击“OK”按钮，弹出“Get Data for Selected Entity Set”对话框，在“Name of parameter to be defined”文本框中输入T0，在“number N”文本框中输入2，单击“OK”按钮完成，如图8-75所示。

图8-75 “Get Data for Selected Entity Set”对话框

10）选择“Utility Menu→List→Status→Parameters→All Parameters”命令，弹出“*STAT Command”对话框，显示温度为198.83℃，小于300℃，如图8-76所示。

图8-76 “*STAT Command”对话框

11）单击工具栏上的按钮，保存数据库文件。