热风阀风道流场的有限元仿真

        1 问题的提出
        热风阀是炼铁热风炉中采用的各种阀类中的一种，它由阀板、阀体、阀盖等组成，其工作原理是：阀板在阀体和阀盖的型腔中上、下抽动，完成开启和关闭热风风道的动作。
        热风阀工作温度为900℃～1300℃[1]，是热风炉各种阀类中受热载荷最为严峻的阀门之一。热风阀在使用过程中，阀板的下部外缘受热风扫掠比较严重，由于热冲击和热疲劳等，使下部外缘产生裂纹，严重时产生漏水，造成设备的整体失效。
        根据以上情况，本文采用SolidWorks软件的流体分析插件（COSMOSFloworks）分析了DN1800热风阀风道的速度场，并结合传热学对流换热理论对阀板下部外缘进行了换热分析，其目的是改善热风阀阀板的外缘换热，从而提高阀板的总体寿命。
        2 三维模型的构建和计算空间的确定
        2.1 三维模型的构建
        采用SolidWorks软件，通过拉伸、旋转等命令建立三维零件模型，在三维建模中完成阀板、阀盖、阀体及风道的构建。在模型构建过程中，由于是风道的流场分析，对三维零件作了较大的简化，如：阀板水环结构同风场分析无关，在此没有构建；阀盖和阀体的外部结构同风场分析无关，也作了较大的简化，但阀盖和阀体的内部型腔保持了原样。同时把进风口和出风口封闭，以便形成有一定密闭空腔的构造体。零件模型建好后，添加约束，把所有的零件装配到一起。图1为热风阀的风道截面图。
        2.2 计算空间的确定
        执行COSMOSFloworks插件的几何空间检查命令，插件会自动计算出流道空腔体积和实体体积，如果检查到流道空腔体积为零，说明流道空间不封闭，需修改和检查模型，直到空腔封闭为止。封闭的流道空间即为计算空间。

        3 构建COSMOSFloworks分析项目和设定边界条件
        热风的物性参数设置等依靠COSMOSFloworks的分析向导来实现。
        3.1 COSMOSFloworks分析项目的设定
        进入COSMOSFloworks分析向导，依次定义如下项目：①创建分析名；②定义单位制，本文选mm-g-s制；③定义分析类型为内部流动，同时忽略空穴影响；④确定流体，本文的介质为热空气，具体物性参数，如密度、粘度等来源于文献[2]；⑤壁面条件的设定，根据有关文献[3]，粗糙度确定为Rd=10μm，并设定壁面是绝热的；⑥确定初始条件，根据热风阀的实际工况，初始压强确定为0.5MPa，初始温度为1373.2K；⑦设定分辨率为10mm。
        3.2 边界条件的设定
        根据工程实际，入口的边界条件为速度边界条件，设定为50mm/s；出口的边界条件为压强边界条件，设定为0.5MPa。
        4 结果及讨论
        4.1 换热系数
        风道开启时，阀板下部被热风扫掠，其表面的换热是月牙形流道的受迫紊流流动换热，首先依据公式（1）计算出流道的定型尺寸：

       
        其中：de为当量直径，m；f为流道断面面积，m2；U为流体湿润的流道周边，m。
        依据雷诺准则计算出热风的雷诺数Ref，判断流态。选用准则关联式：

       
        其中：Um为截面上热风的平均流速，m/s；γf为流体的运动粘度，m2/s。
        在阀板开启状态下，阀板下部的表面被热风扫掠，局部位置可近似看成热空气外掠平板，依据外掠平板紊流平均换热准则关联式，可近似计算出热风的努塞尔数Nuf：

       
        其中：Prf为热风的普朗特数。然后计算出强制对流换热系数α（W/（m2•K））：

       
        其中：λ为热风导热系数，W/（m•K）；d为特征尺寸，m。
        由式（2）～式（4）可知，换热系数同热风的扫掠速度的0.8次幂成正比。
        4.2 结果
        4.2.1 阀板开启前期（阀板和风道交叠期）
        以阀板提升高度h=671mm为例运行仿真，COSMOS-Floworks插件会自动划分网格，并得到计算结果。
        图2为轴向截面的速度分布。由图2可知，热空气在阀门打开处速度较高，最大速度达到了171.5m/s。随着流道面积的扩大，阀后热空气的速度逐渐减小，同时热空气在阀后出现回旋，形成速度较低的环流。由于阀板外缘下部的热风速度很高，由式（1）～式（4）可知，阀板外缘下部经受较为激烈的强制对流换热。
        4.2.2 阀板开启后期（阀板提升到风道以上）
        以阀板提升高度h=1955mm为例，运行仿真，取阀板处的径向截面，得到此时的速度分布如图3所示。由图3可知，热空气在阀门主风道上流速为50m/s，同时在阀体滑道周围和阀板外缘下部存在涡流，此涡流也与阀板进行换热。但由于涡流速度很低，换热强度不会很大。

        5 结论
        本文以COSMOSFloworks插件为工具，以传热学对流换热系数经典公式为依据，以提高热风阀寿命为目的，对国内某重工集团的DN1800热风阀风道进行了流场分析，经分析得出以下结论：
        （1）在阀板开启前期，应快速提升阀板，利用传热的惯性来抑制阀板外缘下部的快速升温。
        （2）在阀板开启后期，应把阀板提升到一定高度，以降低涡流的换热影响，从而降低阀板外缘下部温度。
        参考文献：
        [1]刘元意，元玉敏，苗宗文.莱钢提高热风阀寿命的实践[J].炼铁，1998，17（2）：40-41.
        [2]任泽霈，梅飞鸣.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.
        [3]杜广生.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社，2006.