（机械电子工程专业论文）蝶阀系统温度场及其结构研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 钢铁行业是国民经济中的重要支柱，为各类基础建设提供必不可少的材料。由于目前 经济发展步伐放缓，国家提出目前的主要工作是节能减排、降低能耗和转变企业的经济结 构形式。蝶阀系统控制着加热炉的温度，然而蝶阀及执行机构因温度过高，导致蝶阀系统 控制精度变低，造成加热炉温度指标不稳定、产品达标率下降和设备故障率较高。因此， 本文提出对蝶阀系统热传递机理进行研究，提出合理的蝶阀系统的温度控制措施。通过蝶 阀系统的三维建模与仿真分析，验证了该措施的可行性。并子现场实施，统计现场改造后 蝶阀及执行机构的温度与故障率，说明了蝶阀系统温度控制措施的有效性。 首先，指出某厂热轧加热炉熟空气管道处的蝶阀及执行机构的温度过高现象以及后 果，着重分析了影响蝶阀系统温度的四种直接因素，并提出相对应的温度控制措施。根据 该措旌，对蝶阀及执行机构建立相应c a d c a e 三维仿真耦合模型。 然后，在f l u e n t 软件中利用顺序耦合方法，计算了蝶阀及执行机构与空气耦合模型的 温度场，对比之前温度值，发现蝶阀系统的温度控制措旌能起到明显的降温效果。并在 a n s y s 中运用间接法，计算蝶阀及执行机构热应力，结果显示该措施下蝶阀及执行机构 的热应力均小于许用应力。还在f l u e n t 中利用流体力学方法，仿真出管道内部流场的分布， 证明该措施不影响管道内空气流动特性。 最后，在现场进行蝶阀及执行机构的改造工作。对改造后的蝶阀及执行机构进行温度 测量和故障率统计，证明该措施能很好满足于实际生产。 本文提出蝶阀系统的温度控制三个措施，并通过有限元软件验证蝶阀系统温度控制措 施的实用性和可靠性。在生产中，蝶阀系统的温度控制措施的实旌，降低了蝶阀及执行机 构的温度，降低了蝶阀系统的故障率，提高了热轧加热炉产品质量。 关键词：蝶阀；执行机构；三维建模；有限元仿真 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t ms t e e li n d u s t r yi sa ni m p o r t a n tp i l l a ro ft h en a t i o n a le c o n o m y ，w h i c hp r o v i d e se s s e n t i a l m a t e r i a l sf o ra l lt y p e so fi n f r a s t r u c t u r e d u et ot h es l o w d o w no fc u r r e n td e v e l o p m e n tp a c eo f e c o n o m i c ，t h ee n e r g ys a v i n g ，t h ec o n s u m p t i o nr e d u c i n ga n dt h ee c o n o m i cs t r u c t u r et r a n s f o r m i n g i nt h ef o r ma r et h em a i ni o b sr a i s e db yt h es t a t e 啊1 et e m p e r a t u r ei n d i c a t o r so ff u r n a c ea r e c o n t r o l l e db yb u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o r b u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o rn o r m a lo p e r a t i n gd i r e c t l y a f f e c tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nl e v e lo ff u r n a c ea n dd e c i d et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s s ot h i sp a p e r p r e s e n t st h es t u d yo fb u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o r , p r o p o s e sar e a s o n a b l et e m p e r a t u r ec o n t r o l m e a s u r e so fb u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o r e n s u r ef l l r n a c en o r m a lo p e r a t i n g ，t h r o u g ha n a l y s i so f t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h eb u t t e r f l yv a l v e a f t e ro n - s i t ei m p l e m e n t a t i o n , s t a t i s t i c a ls c e n et r a n s f o r m a t i o nb u t t e r f l yv a l v ea n dt h et e m p e r a t u r e & t h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s a n dt h ef a i l u r er a t e ，e n s u r et h ee f f e c t i v e n e s so ft h e c o n t r o lm e a s u r e so ft h eb u t t e r f l yv a l v e s y s t e mt e m p e r a t u r e f i r s t l y ，p o i n t e do u tt h eh i g ht e m p e r a t u r ep h e n o m e n aa n dt h ec o n s e q u e n c e so fb u t t e r f l yv a l v e a n da c t u a t o ri naf a c t o r yh o t - r o l l i n gf u r n a c eh o ta i rp i p e l i n e t h ef o u rf a c t o r sa r ea n a l y z e dt h a t a f f e c tt h et e m p e r a t u r eo fb u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o r a n ds o m er e a s o n a b l et e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n gi sp r e s e n t e d t h ec o r r e s p o n d i n gc a d c a et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l so fb u t t e r f l y v a l v ea n da c t u a t o ra r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，t h et e m p e r a t u r eo fb u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o ru n d e rt h ep r o t e c t i o ns t r a t e g i e si s c a l c u l a t e di nt h ea n a l y s i ss o f b n a r eo ff l u e n t c o m p a r i s o nt h eb e f o r et e m p e r a t u r ev a l u e ， t e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e so ft h eb u t t e r f l yv a l v es y s t e mc a l lp l a yas i g n i f i c a n tc o o l i n ge f f e c t a n dt h et h e r m a ls t r e s so fb u t t e r f l yv a l v ea n da c t u a t o ri sc a l c u l a t e di nt h ea n s y s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h et h e r m a ls t r e s so ft h eb u t t e r f l yv a l v ea n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e sa r el e s st h a n t h ea l l o w a b l es t r e s s t h ef l o wd i s t r i b u t i o no fp i p e l i n ei n t e r n a li ss i m u l a t e di nf l u e n ta n dp r o v e s t h a tt h em e a s u r e sd on o ta f f e c tt h ea i rf l o wc h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nt h ep i p e l i n e f i n a l l y ，b u t t e r f l yv a l v ea n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e sa r et r a n s f o r m e di nt h ef i e l dw o r k t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n df a i l u r er a t e s t a t i s t i c sa r es h o w i n gt h a tt h em e a s u r e sa 阳w e l l s a t i s f i e d 、析1t h ea c t u a lp r o d u c t i o na f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ec a nv e r i f yt h ep r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h eb u t t e r f l yv a l v es y s t e mt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e s i nt h ep r o d u c t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h em e a s u r e so ft h eb u t t e r f l yv a l v et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mr e d u c et h et e m p e r a t u r ea n dt h e f a i l u r er a t eo ft h eb u t t e r f l yv a l v ea n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t yo ft h e h e a t i n gf u r n a c e k e yw o r d s ：b u t t e r f l yv a l v e ；a c t u a t o r ；t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景及研究意义 第一章绪论 世界经济进入高速发展的同时，人类已发现能源短缺和不可再生等问题日益凸显。我 国国民经济近年持续两位数的高速发展，对国家的繁荣富强起着不可替代的作用。由于国 家建设对能源的需求巨大，因此经济发展对能源的依赖与目前我国的能源短缺存在着巨大 的矛盾，严重阻碍了我国现代化进程。从1 9 7 3 年的第一次世界石油危机爆发以来，这种 阻碍作用日益突出。国民建设中，冶金工业生产一直是高能耗行业。经统计，冶金工业能 耗占总能耗的2 0 。所以，我国和其他世界各国对冶金行业节能减排技术的研究，一直是 比较关注的。 钢铁冶炼中的轧钢环节，产生的能耗量比较大，主要来自于：钢坯加热工序的能量损 耗和轧制工序的能量损耗。这两种类型的能耗相互影响，二者存在一定的比例关系，一般 是1 0 ：l 的关系，即加热能耗是轧制能耗的1 0 倍。经专家的统计与测量发现，轧钢厂加热 炉的能量消耗一般占总能耗的1 0 一1 5 。无论是热轧还是冷轧工艺，一般需要提前对金属 锭和钢坯进行加热到一定的温度，使它具有一定的可塑性，才能在轧机或其他轧制机器上 进行轧制工艺，否则轧制机器容易受到损伤。加热炉在其中扮演的角色就是对金属进行加 热，按轧机的轧制节奏，加热炉将不同规格、不同钢种、不同装入温度的板坯加热到工艺 要求的温度水平【l 】。通过分析知，在热轧工艺中，加热炉十分重要，也是节能减耗的主要 对象。 为提高加热炉的加热效率，降低其加热能耗，规定加热炉炉内燃烧的空气都须经过换 热器预热，再由空气管道系统输送，最后在管道末端的烧嘴处与煤气混合，进入加热炉燃 烧。通过热空气管道系统所配置的蝶阀系统，来控制进入炉内进行燃烧的热空气量，进而 对加热炉的炉温进行控制。工业上对加热炉的要求有： ( 1 ) 为了提高加热炉的生产效率，在产品质量得以保证的前提下，炉内物料加热速 度应越快越好。这样能有效减少炉子座数或缩小炉子整体尺寸。加热速度提高，能降低金 属的烧损和单位燃料的消耗，节约加热炉的维护费用。 ( 2 ) 炉内加热过程中，在物料出炉时的温度应符合工艺要求，物料断面上温度分布 均匀。金属的轧制质量由其加热质量直接决定，因此需保证炉内金属烧损率低，防止出现 过烧和表层的脱碳现象发生。 ( 3 ) 加热炉的维修和制造成本巨大，在使用过程中，须定期对加热炉进行检修，延 长加热炉的寿命。同时目前加热炉应朝机械化及自动化程度高，操作安全卫生，对环境零 无污染等方向发展。 蝶阀系统主要由蝶阀和执行机构组成，其中蝶阀及执行机构的控制精度，对加热炉的 节能减耗起着决定性的作用。加热炉热空气管道系统所配的蝶阀及执行机构的温度过高， 造成执行机构的气缸变形，密封环损伤，气缸缸体拉伤，气缸漏气等降低蝶阀的调节精度 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 的问题，严重影响到蝶阀的正常工作。蝶阀发生故障后，对进入炉内空气量的调节灵敏度 降低。当进入炉内的空气过多，会导致炉温过高，造成金属表面氧化层的增厚，降低金属 料的成材率和质量，浪费原材料；相反，进入炉内空气过少，会导致炉温过低，钢坯加热 温度不够，轧机无法顺利进行轧制，严重磨损轧辊，缩短轧机的使用寿命，损毁其他的配 套机电设备，直接影响轧钢企业的经济效益。执行机构的故障率升高，执行机构购买成本 加大，维修费用同时增大，导致设备成本极大浪费。因此，蝶阀及执行机构进行深入的研 究，确保执行机构的正常合理的工作，这对当前硅钢生产过程增效节支，降低执行机构的 购买和维护成本，提高整个企业的自动化应用水平有重要的实际意义。 本文通过综合考虑蝶阀系统在热轧工艺生产中的受热情况，建立热空气管道处的蝶阀 系统的三维仿真模型，提出蝶阀系统的温度控制改进方法，并通过仿真分析验证该策略的 可行性。其中仿真分析包括蝶阀系统的温度场、热应力和管道流场。该方法在现场实施后， 对蝶阀及执行机构进行温度检测与故障率统计，将实际测量结果与仿真分析结果进行了对 比分析。 1 2 蝶阀及执行机构的研究现状 1 2 1 蝶阀及执行机构介绍 蝶阀是上个世纪3 0 年代，由美国发明。但是直到7 0 年代，才在我国推广使用。蝶阀 具有导流、节流、截流、调节、分流、防止倒流或溢流泄压等功能，是流体输送系统中的 重要控制部件。在许多行业投入使用：能源( 石油、天然气和煤炭) 开采行业、冶金冶炼 行业、矿石开采的行业和管道输送行业；电力生产( 水电、火电和核电) 行业；城建的居 民生活( 给排水、供热和供气) 行业；各种运动机械( 船舶航海、车辆运输和航空航天) 的流体行业；新技术和国防生产行业；农业生产排灌系统 2 1 。蝶阀在国民经济发展中，起 到非常重要的推进作用，是装备制造业发展的一个重要环节。 控制蝶阀开合至任何位置，都是通过执行机构完成。执行机构是在某种驱动方式作用 下，能产生直线或旋转运动的驱动装置。执行机构的驱动方式包括液体、气体、电力或其 他能源。控制精度比较高的执行机构中，包含很多控制模块，例如：位置感应模块，力矩 感应模块，电极保护模块，逻辑控制模块，数字通讯模块及p i d 控制模块等。其中驱动能 源为仪表气( 经过过滤净化的化工空气) 的执行机构为气动执行机构。按执行机构的作用 形式可分为单作用和双作用，按执行机构的工作方式可分为直角程和角行程，按执行机构 的调节形式分为调节型和开关型。其中，双作用( d o u b l ea c t i n g ) 执行机构是指执行器开 和关的动作都通过气源来驱动完成；当执行器开的动作是气源驱动，而关的动作是有内部 弹簧复位完成，叫单作用( s p r i n gr e t u r n ) 。在气动执行机构中，执行机构和调节机构是 一个统一整体。执行机构分为：薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式四种类型。 气动执行机构优点有： ( 1 ) 能接受连续的动力输入信号，可输出两种位移：输出直线位移；配上摇臂后， 武汉纠披大学硕士学位论文 第3 页 可输出角位移； ( 2 ) 有正、反两种作用功能，但执行机构输出力大小与仪表气的压力有关； ( 3 ) 由于是气动驱动，因此转轴转动迅速，当负载增加时速度会相应变慢； ( 4 ) 输出功率较大； ( 5 ) 可靠性高，但气源中断后阀门不能保持( 除非加保位阀) ，检修维护简单，对 环境的适应性好。 气动执行机构的缺点： ( 1 ) 控制精度较低； ( 2 ) 双作用气动执行器，在切断动力源之后，阀芯不能回到起初的预设处； ( 3 ) 不适用环境温度多变和严格的工况下。 1 2 2 国内外研究现状分析 针对气动执行机构的优缺点，使用时必须进行酌情考虑，一旦出现执行机构故障，将 会导致蝶阀调节失灵，对整个热轧工艺造成严重的损失。针对蝶阀及执行机构在各种行业 的使用情况，调研国内外学者和专家对蝶阀及执行机构所作的研究，为蝶阀系统的温度控 制提供充足的技术依据。 工业行业的节能减排是大势所趋，因此各种设备的选择和设计均围绕该目的进行。国 内学者对气动执行机构在各种场合正常使用，做了很多研究。段雪飞等人1 3 j 在文中说明了 加热炉能耗与轧钢总能耗的比例关系。钢铁生产的较多工序之中，轧钢工序能耗所占比重 较大，而加热炉的燃料消耗又占轧钢工序的总能耗7 0 以上。通过对烟道闸板气动执行机 构进行改造，调高该执行机构扭矩，引入p i d 控制，实现执行机构调节的准确性、稳定性 和快速性。加热炉炉压精确地控制在5 p a 左右( 正常范围2 0 p a 5 0 p a ) ，加热炉热损失降 到最低。方聪丽1 4 对加热炉现场工况进行调研，并对本钢1 7 0 0 热连轧厂加热炉系统进行了 改造。改造的基本思想是：能满足生产、维护简单和节省费用。选定双作用气动执行机构 作为加热炉的阀门控制器。为了降低阀门泄漏量，加热炉煤气阀门选用高性能密封蝶阀， 并且采用软密封。申景泉，康玉武等人【5 】针对3 0 0 m w 机组亚临界锅炉电磁泄放阀所存在 的问题提出了解决办法，提高了锅炉的生产效率。现场中的辅助阀极易泄漏，常造成电磁 铁输出轴经常发生卡涩的故障。文中为了提高密封比压，提出通过增加气动执行机构来增 加密封力来实现，这是此类设备首次采用该种方法，为该行业中利用气动执行机构提供先 例。杜建忠【6 】在某电厂的气动执行机构定位器改造中，系统地介绍了气动执行机构的选型、 安装和工作条件等信息。最终并提出适合该厂的一种改造方案，确保执行机构还是保持高 控制精度和工作正常运行。气动执行机构的动力源为过滤后的仪表气，在大庆油田联合站 中，徐晶和冯晓敏 7 1 提出为了保证气动执行机构长期可靠的运行，重新设计了一套稳定且 符合工况要求的仪表供风装置。 在国外，对蝶阀的设计研究比较早且多。目前，较为常见的是采用现代设计的理念方 法对蝶阀进行结构的改进 g - l o 。o h e o r g h eb a r a n 等人研究了气蚀情况下蝶阀的噪声和振 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 动问题，提出相应的改进措施，避免气蚀现象的发生【1 1 1 。国内专家针对该类情况提出了自 己的研究观点和看法。吴石等人【1 2 】为了找出蝶阀噪声的来源，利用了二方程模拟封闭的雷 诺平均n s 方程组，对水管路系统中三种常见阀门的三维分离流动进行数值模拟。模拟结 果证明噪声是因为阀门周围产生漩涡。随着现代化技术的突飞猛进，为了实现蝶阀的轻量 化，提高蝶阀的性能，国内学者将有限元分析技术运用于蝶阀的流场研究之中，大大提高 的研究的效率和准确性【”d 7 】。例如，黄国权和曹仲武1 8 1 通过c f d 软件f l u e n t 对中心型蝶 阀不同开度情况下的流场状况进行了仿真模拟计算。还定量地分析了此蝶阀在不同开度情 况下，重要部位的受力大小。以及直观给出蝶阀在不同工况下流场的分布情况，为蝶阀设 计和使用提供了切实可行的依据。 由于工业需求越来越大，阀的使用环境也越来越严格，例如：高温较高、湿度较大和 粉尘比较多的环境之中。因此，阀的寿命也受到很大影响。一般该类研究，先对阀所存在 问题进行仿真再现，找出问题所在；提出合适的解决方案；通过软件的仿真分析计算对提 出的方案进行验证：将方案在现场进行实施，并做好后续的测量与统计工作。国内学者对 阀温度因素引起阀的寿命问题进行了比较深入的研究，为我国各工业的安全生产提供了宝 贵的依据。一般阀门在高温环境下工作时，由于所受热应力较大，导致阀门寿命较短【1 9 2 0 】。 针对阀门的热应力过高或者较为集中的现象，一般可以改变阀门的材料属性，例如采用强 度比较高的浸银碳石墨材料【2 l 】，耐压强度高达2 6 4 m p a 。 为降低阀门的温度 2 2 也6 】，可以由以下几点实现： ( 1 ) 改善阀门外界空气的流动方式，例如将自然对流的方式为强迫对流，加速空气 对流换热的过程； ( 2 ) 改善阀门散热情况，例如阀盖的直筒式改造成为散热片的形式，加大散热面积。 当阀门所处温度过低，也会出现一些问题，例如冷态试验状态下的阀门拉杆容易出现 冻结问题 2 7 - 2 9 】。该类问题的解决方案是：对低温下( 2 0 k ) 的阀门进行温度场有限元的模 拟与分析，提出添加绝热层的解决方案，再进一步模拟计算验证这种改进措施的效果。 1 3c f d 的基本应用研究 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是在计算机中将数值计 算和图像显示技术相互结合，对包含有流体流动和热传导等类似物理问题的系统所做的仿 真分析。c f d 流场常用方程有如：欧拉方程、n s 方程等【3 0 - 3 2 1 。c f d 是以流体力学为基础， 广泛应用于流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题的数值分析计算中，已成为 该类问题理论研究与实验应用的一个新的分支。如今，c f d 将实验和理论两者相互结合起 来，促进了多种复杂流体问题的实验研究和理论分析的发展，已成为研究流体力学第三种 研究方法。该方法为简化流体模型的建立和完善，提供了更多的依据，大大减轻学者的研 究精力。 c f d 能数值模拟许多较为典型的非定常多尺度的复杂流场，还能研究拟序结构的形成 及发展规律、复杂流场流动的失稳和湍流流动等问题【3 3 - 3 8 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 建选 条结 业 择 件 果 数 计 设显 学算 置 一 不 模方 与与 型 法 计 分 算析 图1 1c f d 研究模拟的过程 c f d 研究流体运动的物理特性，是采用其独有的数值模拟的研究方法。模拟的过程与 步骤一般包括如图1 1 所示，其中四步为： ( 1 ) 针对所需解决的工程问题或物理问题，建立合适的数学模型。数学模型，是数 值模拟的基点，决定了后续求解方程的选择。其中流体的基本控制方程一般有质量守恒方 程、动量守恒方程和能量守恒方程这三大理论方程。求解之前，必须设定好对应控制方程 的定解条件，否则结果不收敛或者求解错误。 ( 2 ) 根据问题解决需求，寻求最合适( 从效率和准确度出发) 的计算方法，这是c f d 的核心内容。即建立针对前面所建立的控制方程的数值离散化方法，其中数值离散化方法， 比较典型的有限差分法、有限元法和有限体积法等方法。一般来讲，有限元法比较适合有 限元软件，这也是该类软件的技术思想。 ( 3 ) 控制方程和求解方法选择好之后，就是如何将二者与我们所需的解联系起来， 即编制程序和进行计算。结合相应的问题，具体的工作包括计算网格划分、初始条件和边 界条件的输入、控制方程内部参数的设定等。 ( 4 ) 计算结束之后，主要是显示计算结果和分析结果。计算结果一般通过图表等方 式显示，随着计算机的更新与发展，越来越多新的计算结果方式产生。计算结果的显示， 对检查和判断计算结果质量有重要的参考意义。 在问题求解的实际研究工作中，需要注意上述前三点的有机结合，做出合理的取舍。 并且上述几点是相互联系的，根据需要可以进行对应的改变。例如针对简单的研究对象， 控制方程和计算方法可以适当选择精度高，计算速度快的类型。数值计算与实验和理论分 析之间的关系是：相互联系，相互促进，但不能相互替代。 目前市面上的c f d 软件，都是为方便用户的使用，更便捷的利用软件处理不同类型的 工程问题。因此，一般的c f d 商用软件为了简化复杂的c f d 过程，往往将这复杂过程进 行集成封装，同时通过一定的输入接口，让用户快速地输入自己所研究问题的有关参数。 经过集成和封装后，所有的商用c f d 软件均简化为三个基本环节【3 9 l ：前处理、求解设置 和后处理。同理，与之对应的程序模块常简称前处理器、求解器、后处理器。有的c f d 软 件为了方便用户的二次开发，特意开放这三个模块，增强了软件的实用性。 c f d 方法在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等 领域中应用十分广泛。随着上述这些行业的快速发展，c f d 已不能仅仅当作一个研究工具， 而且还可以作为一种新的设计工具。在蝶阀和执行机构行业快速发展的今天，c f d 在其设 计研究过程中同样发挥着重要的作用【4 0 】。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 现实工程中，物理场有很多，温度场，应力场，湿度场等等均属于物理场。实际的许 多问题研究，往往是对多物理场叠加后的问题进行研究，这些物理场是直接相互影响。比 如炼钢的温度高低对应力分布是有很大影响。这种多物理场相互叠加的问题叫做多物理耦 合问题。 在c f d 方法中耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或多种工程学科的 交叉作用和相互影响( 耦合) 。一般耦合场分析还有：热应力耦合分析，热电耦合分析， 流体结构耦合分析，磁热耦合分析和磁结构耦合分析等等。 c f d 分析耦合场问题有两种不同的耦合方法：顺序耦合方法和直接耦合方法 蝶阀系统在热轧加热炉环境中温度较高，特别是蝶阀与执行机构较为明显。此过程中 蝶阀及执行机构的温度、空气组织密度和蝶阀及执行机构应力三者之间是相互影响的，并 存在多场耦合的情况，如图1 2 所示。其中： ( 1 ) 表示蝶阀及执行机构的温度变化，会导致蝶阀及执行机构温度分布不均匀，产 生应力； ( 2 ) 表示蝶阀及执行机构的温度变化时，会导致蝶阀及执行机构周围环境空气温度 变化，导致空气组织密度变化； ( 3 ) 表示空气组织密度变化，导致环境压强变化，使蝶阀及执行机构表面压力变化； ( 4 ) 表示蝶阀及执行机构的应力变化时，局部变形，产生热量，会导致蝶阀及执行 机构的温度变大； ( 5 ) 表示蝶阀及执行机构的应力变化，局部变形，改变空气组织密度分布； ( 6 ) 表示空气组织密度变化，加速空气流动，会导致蝶阀及执行机构的温度分布变 化。 蝶阀系统的仿真研究，主要围绕着热结构耦合和流固耦合进行，以c f d 软件f l u e n t 、 a n s y s 有限元软件为技术手段进行。 1 4 研究的目标及内容 蝶阀及执行机 构温度分布 空气组织密度 分布 ( 3 ) ( 5 ) 蝶阀及执行机 构应力分布 图1 2 螓阀系统多场之间的相互影响 蝶阀系统在热轧加热炉生产工艺流程中起着重要的调控作用。蝶阀系统的控制精度已 很大程度决定了加热炉温度指标和产品达标率。蝶阀系统中蝶阀及执行机构的温度过高， 已严重影响蝶阀系统控制精度。因此，对蝶阀系统的温度控制研究是本文的主要目的。根 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 据加热炉热空气管道系统的工作特点，分析蝶阀系统中蝶阀及执行机构温度过高的原因， 并提出相应的温度控制措施。建立蝶阀及执行机构的三维c a d c a e 仿真模型，通过仿真 实验，验证该措施的可行性。对热空气管道处的蝶阀系统进行现场实施与改进，并对蝶阀 系统进行温度测量和故障率统计，确保能够满足热轧生产的要求。并为今后其他行业的蝶 阀系统的温度控制提供指导方法。 本课题主要以某钢厂热轧加热炉热空气管道中的蝶阀系统为研究对象，进行了热空气 管道和蝶阀系统三维建模，对蝶阀系统进行了温度场、热应力有限元仿真，对热空气管道 进行了流场有限元。所做的工作包括如下几个方面： ( 1 ) 依据传热学原理，分析蝶阀系统温度过高的原因，提出相应温度控制的合理措 施与方法，建立相应蝶阀系统的三维模型。 ( 2 ) 运用有限元方法，结合c f d 多场耦合原理，计算了蝶阀系统在热空气管道系统 中的温度场和热应力，并对流经蝶阀系统前后的管道进行流场仿真。 ( 3 ) 有效的分析仿真的结果，对比温度控制措施采用前后蝶阀系统的温度数据，确 保降温保护策略具有实用性。 ( 4 ) 在现场中实施蝶阀系统的温度控制措施与方案，并进行温度检测和故障率统计， 确保能在实际生产的正常运行。 1 5 本章小结 分析了蝶阀及执行机构正常工作对热轧工艺的节能减排、提高加热炉产品质量所起的 重要作用。系统介绍了国内外蝶阀及执行机构保护策略的发展和c f d 软件的应用研究。阐 述了论文的研究目标与内容，指出本课题的经济意义和社会效益。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章蝶阀系统仿真分析理论基础 热轧加热炉正常工作时，热空气管道内部空气流速较快，蝶阀与执行机构所处的热交 换环境比较复杂。蝶阀与执行机构温度、热应力大小均不断发生改变。因此，为了研究并 模拟蝶阀系统的温度控制措施，就要研究蝶阀及执行机构热传导现象以及导热定解问题， 为后面蝶阀及执行机构温度场与应力场仿真提供理论基础。同时研究管道内部流场，对蝶 阀及执行机构控制性能有具体的了解，为流场的有限元仿真分析方程选择提供理论依据。 本章主要研究传热学的各种方式的热传导方程，建立蝶阀与执行机构在加热炉热空气 管道处的边界条件的数学模型。最后还分析了论文研究所涉及管道流场的数学方程。 2 1 热传导的机理研究 传热学和工程热力学最开始属于理论物理学中的热学部分。随着社会的进步以及科技 的发展，才逐渐分别成为独立的学科并不断的出现新的分支。热能是物质能量的一种表现 形式，热能的传播过程就是传热过程【4 l 】。传热过程包括热传导、热辐射及对流换热三种方 式。传热学可分为四个分支，如图2 1 所示，现在各分支均已发展成为- f j 单独学科。 随着科学技术的发展，在空间技术、能源、计算机、太阳能、地热、高效燃烧等研究 领域都是传热学的研究领域。 2 1 1 热传导方式的数学方程 图2 1 传热学的四个分支 ( 1 ) 导热 作为传热学中最早研究的问题，导热最早由傅里叶( f o u r i e r ) 提出，至今经历2 0 0 年 的历史。其中傅里叶定律视作整个导热所遵从的基本定律，然后由于1 9 世纪末应用数学 研究的突破，导热学的不断成熟，从成长到成熟经历了约一个世纪的时间。 热传导是指温度不同的物体所有部分无相对位移或不同温度的物体直接紧密接触时， 由于在物质内部分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而发生热量传递的现象。导热 是物质的固有属性，热量高温部分传递到低温部分的现象就属于导热。单纯的导热现象只 发生在密实的固体材料中。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 热传导公式： 望：丝( 幺二玉经2 td ( 2 1 ) 公式( 2 i ) 中：q 为时间f 内的传热量或热流量：k 为热传导率或热传导系数， 形( m ) ；t 为温度；a 为平面面积：d 为两平面之间的距离。 热流密度( 常也称为热流通量) ，记为： g = 号 晓2 ) 石的大小反映了材料导热能力的强弱，不同的材料具有不同的足，因此尺是材料的物 理属性之一，通常由实验测定。 ( 2 ) 热对流 热对流从牛顿( n e w t o n ) 的研究开始，经历5 0 年的时间成熟。前面由于对流换热的 偏微分方程同导热问题相比较复杂，因此进展很缓慢。1 9 0 4 年，普朗特( p r a n d t l ) 提出了 著名的边界层理论。2 0 世纪4 0 - 5 0 年代航空工业的突飞猛进，粘性流体力学的发展及计算 机的进一步应用，推进了边界层理论及对流换熟学的发展。 热对流是依靠流体的运动，把热量从一边传递至另一边的现象。传热学中将它简称为 对流，它也是热量传递的基本方式之一。热对流只发生在流体中，又因为流体在运动的同 时一般存在温差，流体微团之间或质点之间因接触而导热，故热对流也同时伴随着导热。 稳定流动能量方程式为： g = m ( a h + 去e 2 + g a z ) ( 2 3 ) 公式( 2 3 ) 中：m 为单位时间内通过单位面积的流体质量流量，k g ( m 2 s ) ；z 为 断面间的位置高差，m 。 由于大部分工程问题中，比动能妻e 2 ，比位能幽z 均远远小于比焓差厶h ，因此公式 ( 2 3 ) 简化为： ( 2 4 ) 公式( 2 4 ) 中：c 。为定压比热容，j ( k g ) ；孙疋分别为断面1 和2 处的温度值。 一般工程上所遇到的实际传热问题，常常不仅仅是单纯的热对流，而是流体和温度不 同的固体避免接触时发生的传递过程，这种传热过程叫做对流换热。 对流换热过程是受多种因素影响，其基本计算公式为牛顿冷却公式，表示为： q = ( 磊一品) 彳 ( 2 5 ) q = ( 马一耳) ( 2 6 ) 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 公式( 2 5 ) 中：而为对流换热表面传热系数( 也称对流换热系数) ，形( m 2 ) ；嚣 为固体表面的温度；瓦为周围流体的温度。 其意义为：流体与壁面温差为1 时，单位时间通过单位面积所传递的热量。乃的大 小反应了对流换热的强弱，所有影响对流换热的因素都是影响h 的因素。通过这个公式， 一个受多因素影响的非常复杂的过程简化。利用此公式，把解决复杂问题的问题简化到了 求解表面传热系数h ，所以研究对流换热的问题简化为求对流换热表面传热系数h 了。 ( 3 ) 热辐射 辐射换热是从斯蒂芬玻尔兹曼( s t c f a n - b o l t z m a n ) 研究辐射常数开始，经历三十年时 间趋于成熟。其中几个重要的阶段有：1 9 0 0 年，普朗克提出辐射理论；二十世纪二十年代， 量子力学取得飞跃发展；2 0 世纪6 0 年代，分子光谱学及固体物理学奠定理论基础，计算 机作为辅助工具，辐射换热学得到突飞猛进的发展。 我们把物体表面通过电磁波来传递热量的过程称为热辐射。辐射是物质固有的本质之 一。物质由分子、原子、电子等微观粒子组成，这些微观粒子受到振动和激发时就会产生 交替的电场和磁场，释放出电磁波( 或光子) ，电磁波以直线传播( 类似于光) ，直到遇 到其他物体，被这些物体中的微观粒子吸收。这种现象是普遍存在。 综上所述，高温物体通过温差辐射把一部分热量传给低温物体，这种辐射传递热量过 程，称为辐射换热。 物体表面每单位面积在单位时间内对外辐射出去的全部能量，称为辐射力。根据斯蒂 芬一波尔茨曼定律，绝对黑体的辐射力为： e 卅4 c ( 静 ( 2 7 ) 公式( 2 7 ) 中：o - 为斯蒂芬一波尔兹曼常数，亦称黑体辐射常数，其中 o - = - 5 6 7 x 1 0 - 8 w ( m 2 k 4 ) ：c 为黑体的辐射系数，其中c = 5 6 7 w ( m 2 k 4 ) ； 一切物体的辐射力都低于同温度下黑体的辐射力，对实际物体： 脚e 稍( 南4 ( 2 8 ) 公式( 2 8 ) 中：s 为实际物体的发射率，或称黑度，其值为0 - - 1 。 两无限大平行平板间的辐射换热是最简单的辐射换热问题，假设当两平板表面的温度 分别为互和正，这里互 夏时，那么其辐射换热量为： g = 盯4 墨2 矸一z ) ( 2 9 ) 公式( 2 9 ) 中：鼋为热流率；s 为实际物体的辐射率；仃为斯蒂芬波尔兹曼常数：4 为辐射面1 的面积；墨：为辐射面1 到辐射面2 的形状系数。 以上三种热传导方式，在蝶阀系统中均有所体现。了解每种类型传导方式的数学模型， 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 并清楚内部参数对蝶阀系统温度的影响，能为后续蝶阀系统的温度控制措施的确定提供理 论基础。 2 1 2 载荷及边界条件 通过前面叙述，求解温度场时，首先要确定边界条件和初始条件。其中边界条件为给 物体表面上的温度或换热情况。 同导热现象有关的边界条件可以总结为以下三类： ( 1 ) 第一类边界条件 给出物体表面温度变化的情况，公式为： t 衰- - f ( f ) ( 2 1 0 ) 物体表面温度随时间的变化规律典型的有两种： 1 ) 物体表面温度等于常数，即为： t 衰= 常数 ( 2 1 1 ) 2 ) 物体表面温度随时间成正比，即为： t 表_ t o + c f ( 2 1 2 ) 公式( 2 1 2 ) 中：c 为加热或冷却速度， c h ；f 为加热或冷却时间，厅。 ( 2 ) 第二类边界条件 给出经过物体表面的热流密度的时间函数，公式为： g 可( r ) 或( o 研r _ - y ( f ) ( 2 1 3 ) 公式( 2 1 3 ) 中：，l 为表面的法线方向。 热流密度随时间变化的规律中最简单的一种为通过物体表面的热流密度不随时间变 化，即： g = 常数 ( 2 1 4 ) ( 3 ) 第三类边界条件 给出周围介质的温度随时间变化的规律及物体表面与周围介质间的热交换规律，公式 为： 一鸦) 叫t 月_ ( 2 - 1 5 ) 确= f ( t ) ( 2 1 6 ) 公式( 2 1 5 ) 中：确为周围介质温度；为物体与周围介质的综合给热系数。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 最简单的情况例如物体在恒温中加热时，即： t 周= 常数 ( 2 1 7 ) ( 4 ) 初始条件 所谓初始条件，即开始时刻( t = 0 ) 物体内部的温度分布规律。例如处理一些实际问 题，往往把初始的温度场视为均匀的( 即t n = 常数) ，这是一种最简单的初始条件。用公 式表示为： r 妒l ( 2 1 8 ) m o 。缈( x ，y ，z ) j 公式( 2 1 8 ) 中：t o 为常数，说明物体的初始温度是均匀的；缈( x ，y ，z ) 为一已知的温 度函数，说明物体的初始温度是不均匀的。 工程问题中越来越多的出现非线性的辐射边界或自然对流边界，蝶阀系统的蝶阀及执 行机构温度场有限元仿真中，边界条件为第三种类型。初始条件中，蝶阀及执行机构初始 温度是均匀的。 2 1 3 温度场的求解 对于不稳定导热问题，温度场t 不仅要满足热传导方程，而且必须满足初始条件式与 边界条件式【4 2 掣】。因此根据变分原理，这个问题可简化为泛函的极值问题。取泛函： ，c 丁，= 科詈 ( 罢) 2 + ( 茜 2 + ( 罢) 2 + ( 詈一百0 0 ) 丁 + 赡( 疋丁) 凼 ( 2 1 9 ) 公式( 2 1 9 ) 中：t 满足初始条件式与边界条件式，当t = 0 ，t = q ( x ，y ，z ) ；在边界r 上， t = r ( x ，y ，z ，t ) 。 设函数j ( 丁) 在t = 丁( x ，y ，z ，f ) 上有极小值，由欧拉方程，可知t = z ( x ，y ，z ，) 必然在区 域r 内符合热传导方程式，并在边界r 上符合条件式。只需求泛函x ( r ) 的极小值，使得 8 1 = 0 ，就解出固体的温度场t 。 采用有限元把要分析的对象离散化，把要求解区域r 划分成有限个单元后，那么泛函 j ( 丁) 变成在个单元内的积分，即： ，= 2 ( 2 2 0 ) 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 其中r 是在单元e 内的积分值，即： ，。c r ，= 必 詈 ( 警)