Numerical Simulation of Thermal Performance of New Pipeline with Grid Plate
Wang Yaxuan
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China）
摘要： 为提高管道的散热面积，本文提出了一种带栅板的散热管道，采用有限元软件ANSYS 开展了该新型管道的稳态传热仿真分析，详细阐述了ANSYS建模过程、加载与求解，给出带栅板的管道温度和应力的分布，为栅板的最佳直径的选取及管道瞬态传热分析奠定了基础。
Abstract: To improve the heat dissipation area of pipeline, heat pipe with grid plate was proposed, and simulation analysis of steady heat transfer of this new pipeline was carried out by using finite element software ANSYS. The ANSYS modeling process, loading and solving were expounds detailedly, and temperature and stress distribution of pipeline with grid plate were presented to lay the foundation for the selection of optimum diameter of grid plate and the transient thermal analysis of pipeline.
关键词： 栅板 ANSYS 轴对称 热分析
Key words: grid plate；ANSYS；axial symmetry；Thermal analysis
中图分类号：TU441.3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２7-0043-02
0引言
建筑采暖是我国北方建筑设计的必需环节，通常包括二部分，一是建筑外墙粘贴苯板；二是室内设置暖气或地热。单独的外墙粘贴苯板只能使室内温度达到8度左右，难以保障人们的正常生活，因此，北方室内必须设置暖气或地热[1]。保证持续稳定的供暖不但给人们一个舒适的环境，而且对建筑物本身也具有一定的好处，可以增加结构在严寒地区的使用寿命。高层建筑往往需要集中供热，这样就需要有集中供热的主管道通过设备间垂直延伸到顶层，通过分管在每一层分散到各户。设备间通常是与外界相通的，其温度基本靠管道的自身散热来维持[2]，以往的主管道常采用铁管，容易上锈，散热效果不明显，造成设备间温度过低，本文提出了一种带栅板的新型供热管道，提高了管道的散热面积，能够使热量充分的散发出来，在实际高层建筑工程中将得到较广泛的应用。为考察热流体流过带栅板的管道后温度和应力的变化规律及分布，采用有限元软件ANSYS[3]模拟了该新型管道，详细阐述了ANSYS建模过程、加载与求解，给出栅板的温度和应力分布，为进一步开展该新型带栅板的管道热分析奠定基础。
1计算参数
一个带栅板的轴对称管道结构如图1所示。其中管内有热流体，管外流体为空气，管道和栅板材料为不锈钢，导热系数为25.96W/m.℃，弹性模量为1.93×105MPa，热膨胀系数为1.62×10-5/℃，泊松比为0.3，管内压力为6.89MPa，管内流体温度为90℃，对流系数为249.23W/m2.℃，外界流体温度为8℃，对流系数为62.3W/m2.℃。管道内外径的尺寸及栅板的间距、厚度等具体计算参数如表1所示。
2有限元分析
2.1 结构热分析的基本过程ANSYS结构热分析可分析稳态传热和瞬态传热，本文带栅板的管道结构分析中温度不随时间的变化而改变，属于稳态传热分析。一个典型的稳态传热分析包括四步：①有限元建模；②施加荷载；③求解；④后处理检查结果。
2.2 有限元建模指定分析类型为Thermal[3]，程序分析方法采为h-method。定义单元类型，单元类型采用二维热单元，具有Quad 8nodes属性的 PLANE77对称单元[2]，在Option中选择Axisymmetrical轴对称项，完成单元类型的设置。在材料属性设置中，值得注意的是，不但要给出材料的弹性模量和泊松比，还要给出导热系数。建立二维模型，通过RECTNG命令建立2个矩形面，采用倒角命令[3]建立管道和栅板之间的焊接面，通过面相加操作，生成一个完整的面。
几何模型建立完毕之后即可进行网格划分,设置单元尺寸的大小，对面进行映射网格划分。带栅板的管道有限元模型如图2所示。图3为局部划分详图。
2.3 有限元求解在有限元模型的线上施加对流荷载，拾取编号为“L2，L6，L13，L11”的四根线，输入对流系数和外界温度；拾取编号为“L8，L9”的2根线，输入对流系数和内部温度。信息无误后求解。
3有限元结果分析
图4为有限元分析得到的带栅板管道温度的分布，从图中的数据可以看出，温度由管道内壁到外壁逐渐减低，达到栅板时，温度与外界温度一样。
图5为有限元分析得到的带栅板管道热流量的分布，从图中的数据可以看出，热流量由管道内壁到外壁逐渐减低，由253J到29J，在管道与栅板交接处出现热流量集中现象，与管道内壁处的热流量基本相同。
图6 为有限元分析得到的带栅板管道热梯度的分布，从图中的数据可以看出，热梯度主要表现在5个明显的由高到低的梯度变化。这与流体力学理论[4]也是相吻合的，说明采用ANSYS中的Thermal热分析模块分析带栅板管道是可行的。
4结论
①本文采取ANSYS有限元软件中的Thermal热分析模块对带栅板的管道进行了仿真，详细介绍了有限元分析的过程。②得到带栅板管道的温度、热量和热梯度的分布图，给出三者变化规律。③带栅板管道热梯度与流体力学理论计算结果进行了对比，吻合良好，可见，用Thermal热分析模块分析带栅板管道是可行的。
参考文献：
[1]张伦，刘晓华，江亿.对流强化式辐射板实验与性能分析[J].暖通空调，2011，VOL.41（1）:38-41.
[2]古新，王珂，董其伍.基于导向型折流栅的换热器壳程强化传热数值模拟[J].工程热物理学报，2010，Vol.31（6）：1041-1044.
[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
[4]庄礼贤，尹协远，马晖扬.流体力学[M].中国科学技术大学出版社，2009.