[發(fā)明專利]一種基于ANSYS的高溫碳化爐多場耦合應(yīng)力分布模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010692431.4
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111651908B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張毅鵬;孫中心;張瀟引
• 申請（專利權(quán)）人: 天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/23;G06F111/04;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 胡堅(jiān);黃良寶

1.一種基于ANSYS的高溫碳化爐多場耦合應(yīng)力分布模擬方法，其特征在于所述模擬方法包括有如下步驟：

（1）、采用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SOLIDWORKS軟件建立高溫碳化爐馬弗腔體流體計(jì)算域和爐腔結(jié)構(gòu)的三維仿真模型，設(shè)定高溫碳化爐馬弗腔體流體計(jì)算域和爐腔體結(jié)構(gòu)的三維仿真模型的進(jìn)出口與壁面邊界條件；包括：馬弗腔體結(jié)構(gòu)幾何形狀和幾何尺寸參數(shù)；

（2）、將步驟（1）建立的高溫碳化爐馬弗腔體流體計(jì)算域三維仿真模型傳遞到ICEM軟件的Blocking模塊中，在Blocking模塊中采用O-Block方式對高溫碳化爐馬弗腔體流體計(jì)算域的三維仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對靠近爐腔壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，同時保證整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格質(zhì)量大于0.5；將爐腔結(jié)構(gòu)的三維仿真模型傳遞到網(wǎng)格劃分軟件Mesh，在Mesh中采用Sweep方式對三維仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對靠近爐腔壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，同時保證整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格質(zhì)量大于0.5；

（3）、將步驟（2）中網(wǎng)格劃分好的高溫碳化爐馬弗腔體流體計(jì)算域的三維仿真模型導(dǎo)入ANSYS軟件的FLUENT模塊，并對FLUENT模塊進(jìn)行設(shè)置，在Boundary?Conditions選項(xiàng)中設(shè)置進(jìn)口氣流速度，出口壓力值，壁面條件，在Models選項(xiàng)中設(shè)定湍流模型與傳熱模型；

（4）、將步驟（2）中網(wǎng)格劃分好的高溫碳化爐爐腔結(jié)構(gòu)的三維仿真模型傳遞到ANSYS軟件的Steady-state-thermal和Static-structural計(jì)算模塊，并將步驟（3）中計(jì)算的溫度分布特性傳遞到ANSYS軟件的Steady-state-thermal和Static-structural計(jì)算模塊，在Imported?Load選項(xiàng)中將溫度分布結(jié)果導(dǎo)入，并在Solution選項(xiàng)中仿真運(yùn)算得到不同溫度時馬弗結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特性，以此作為設(shè)計(jì)高溫碳化爐馬弗腔體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工藝參數(shù)的依據(jù)；仿真結(jié)果包括：馬弗腔結(jié)構(gòu)的總變形云圖，馬弗腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，及馬弗腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布云圖；

（5）、在相同設(shè)置條件下，通過將高溫碳化爐馬弗腔體流體計(jì)算域和爐腔結(jié)構(gòu)的三維仿真模型設(shè)置不同參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工藝參數(shù)調(diào)整溫度，氣流速度，并重復(fù)步驟（1）-（4），以進(jìn)行多次模擬計(jì)算，由馬弗腔結(jié)構(gòu)的總變形云圖，馬弗腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，馬弗腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布云圖，以此作為確定最優(yōu)化的爐膛結(jié)構(gòu)與氣流分布設(shè)計(jì)的依據(jù)；

步驟（3）中，在ANSYS軟件的?FLUENT模塊進(jìn)行設(shè)置的過程如下：

（3.1）、在User?Defined選項(xiàng)導(dǎo)入根據(jù)運(yùn)行中爐內(nèi)溫度隨時間變化規(guī)律進(jìn)行編制的自定義溫度參數(shù)，通過運(yùn)行工藝中爐內(nèi)溫度隨時間變化規(guī)律進(jìn)行；

（3.2）、在General選項(xiàng)中，將y方向Gravitational?Acceleration?根據(jù)要求設(shè)定為預(yù)設(shè)值9.81m²/s，X和Y方向設(shè)置為0?m²/s，time選項(xiàng)設(shè)置為Steady穩(wěn)態(tài)計(jì)算；

（3.3）、將Models選項(xiàng)中的Energy勾選Energy?Equation，Viscous?Models選項(xiàng)中選取k-epsilon?Standard?模型；

（3.4）在Materials?Fluid選項(xiàng)部分選擇空氣和氮?dú)庾鳛橛?jì)算的介質(zhì)；

（3.5）、在Cell?Zone?Conditions選項(xiàng)中將Fluid1部分設(shè)為氮?dú)猓現(xiàn)luid2部分設(shè)為氧氣；

（3.6）、在Boundary?Conditions選項(xiàng)中設(shè)置入口邊界條件為Pressure-inlet，并將Velocity?Magnitude根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為監(jiān)測值，范圍在0.3-0.8m/s之間，Thermal選項(xiàng)設(shè)置為udf-inlet，設(shè)置出口邊界條件為Pressure-oulet，出口為大氣壓力值；將兩側(cè)墻壁設(shè)置為對流換熱面，UDF根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)定義每小時內(nèi)爐壁空氣綜合溫度值，對流換熱系數(shù)根據(jù)實(shí)際監(jiān)測值計(jì)算得到，其他壁面設(shè)置為絕熱壁面；

（3.7）、選擇Check?case后進(jìn)行計(jì)算；

步驟（4）中，在Steady-state-thermal和Static-structural計(jì)算模塊進(jìn)行設(shè)置的過程如下：

（4.1）、在Steady-state-thermal模塊中Imported?Loads選項(xiàng)中分別加載外部流場計(jì)算的溫度場結(jié)果，選擇流場與爐膛結(jié)構(gòu)交界面作為數(shù)據(jù)傳遞的耦合面，依次將每個耦合面溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，然后在Solution選項(xiàng)中計(jì)算溫度，將溫度場數(shù)據(jù)加載到爐腔壁面；

（4.2）、在Static?Structural模塊中通過Insert選項(xiàng)設(shè)置重力加速度和位移約束條件，使腔體結(jié)構(gòu)在水平方向可以移動，垂直方向不發(fā)生移動，在Analysis?Settings模塊中輸入求解設(shè)置參數(shù)。