10000立方米球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真研究報(bào)告

1、陸華峰 基于ProCAST的鋁合金連桿重力鑄造過程仿真研究PAGE PAGE 3710000立方米球形儲(chǔ)罐整體熱處理的模擬仿真研 究 報(bào) 告揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院材料工程研究中心二0一二年十二月緒 論球形儲(chǔ)罐，簡稱“球罐”，是一種大容量、承壓的鋼制球形儲(chǔ)存容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等部門，它可以用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質(zhì)的儲(chǔ)存容器，也可作為壓縮氣體（空氣、氧氣、氮?dú)?、城市煤氣）的?chǔ)罐。球形罐與立式圓筒形儲(chǔ)罐相比，在相同容積和相同壓力下，球罐的表面積最小，故所需鋼材面積少；在相同直徑情況下，球罐壁內(nèi)應(yīng)力最小，而且均勻，其承載能力比圓筒形容器大1倍，故球罐的板厚

2、只需相應(yīng)圓筒形容器壁板厚度的一半，故鋼材用量省，且占地較小，基礎(chǔ)工程簡單，但球罐的制造、焊接和組裝要求很嚴(yán)，檢驗(yàn)工作量大，制造費(fèi)用較高。我國制造球罐始于20世紀(jì)60年代初。但隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和改革開放的需要，近年來球罐的制造技術(shù)已得到了飛速發(fā)展。目前國內(nèi)已獨(dú)立制造或引進(jìn)了不同規(guī)格和用途的球罐多臺(tái)套，其最大容積已超過10000立方米，最大壓力超過3MPa，最低設(shè)計(jì)溫度在-30以下。球形儲(chǔ)罐焊后熱處理是球罐制造中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能夠消除焊接殘余應(yīng)力，提高焊縫力學(xué)性能及使用性能。它涉及到傳熱學(xué)、相變動(dòng)力學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科，是一個(gè)溫度、組織、應(yīng)力、相變相互耦合的高度非線性問題。根據(jù)GB50094

3、-2010，名義厚度大于30mm(當(dāng)焊前預(yù)熱100及以上時(shí)，名義厚度大于34mm)的Q345和Q370R鋼制球形儲(chǔ)罐必須經(jīng)過焊后熱處理。目前，國內(nèi)通常采用整體熱處理的方法對(duì)球罐進(jìn)行焊后熱處理。該方法在現(xiàn)有的技術(shù)水平下較為合理，也取得了良好的效果。本次研究將結(jié)合現(xiàn)有的工程實(shí)踐數(shù)據(jù)對(duì)10000立方米球形儲(chǔ)罐整體熱處理進(jìn)行仿真模擬研究，分析整體熱處理過程中球罐表面的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布，可以對(duì)實(shí)際的工程實(shí)踐提出一些合理的意見，并具有一定的指導(dǎo)意義。目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc346542092 第一章 球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真的理論基礎(chǔ) PAGEREF _

4、Toc346542092 h 1 HYPERLINK l _Toc346542093 1.1 流固耦合有限元模擬仿真的理論基礎(chǔ) PAGEREF _Toc346542093 h 1 HYPERLINK l _Toc346542094 1.2 10000立方球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真的研究方法 PAGEREF _Toc346542094 h 4 HYPERLINK l _Toc346542095 第二章 球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真模型的建立及邊界條件的確定 PAGEREF _Toc346542095 h 7 HYPERLINK l _Toc346542096 2.1 球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真中所

5、需軟件的簡介 PAGEREF _Toc346542096 h 7 HYPERLINK l _Toc346542097 2.1.1 三維造型軟件Pro/Engineer簡介 PAGEREF _Toc346542097 h 7 HYPERLINK l _Toc346542098 2.1.2 流體分析軟件Fluent簡介 PAGEREF _Toc346542098 h 7 HYPERLINK l _Toc346542099 2.1.3 流固耦合分析平臺(tái)軟件ANSYS Workbench簡介 PAGEREF _Toc346542099 h 8 HYPERLINK l _Toc346542100 2.2

6、 10000立方米球形儲(chǔ)罐三維立體模型的建立及網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc346542100 h 9 HYPERLINK l _Toc346542101 2.2.1球形儲(chǔ)罐三維模型的建立 PAGEREF _Toc346542101 h 9 HYPERLINK l _Toc346542102 2.2.2球形儲(chǔ)罐三維模型的網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc346542102 h 11 HYPERLINK l _Toc346542103 2.3 10000立方米球形儲(chǔ)罐邊界條件的確定 PAGEREF _Toc346542103 h 12 HYPERLINK l _Toc346542104 2.

7、3.1基于Fluent的流場(chǎng)模擬仿真邊界條件的確定 PAGEREF _Toc346542104 h 12 HYPERLINK l _Toc346542105 第三章 直燒法球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542105 h 22 HYPERLINK l _Toc346542106 3.1直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542106 h 22 HYPERLINK l _Toc346542107 3.2直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542107 h 24 HYPERLINK l _Toc3

8、46542108 3.3直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542108 h 26 HYPERLINK l _Toc346542109 3.4直燒法球形儲(chǔ)罐整體位移形變模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542109 h 27 HYPERLINK l _Toc346542110 第四章 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542110 h 29 HYPERLINK l _Toc346542111 4.1設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542111 h 29 HYPER

9、LINK l _Toc346542112 4.2設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542112 h 31 HYPERLINK l _Toc346542113 4.3設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542113 h 33 HYPERLINK l _Toc346542114 4.4設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐整體位移形變模擬結(jié)果分析 PAGEREF _Toc346542114 h 34 HYPERLINK l _Toc346542115 第五章 結(jié)論及誤差分析 PAGEREF _Toc346542115 h 36

10、 HYPERLINK l _Toc346542116 5.1結(jié)論 PAGEREF _Toc346542116 h 36 HYPERLINK l _Toc346542117 5.2誤差分析 PAGEREF _Toc346542117 h 3610000立方米球形儲(chǔ)罐整體熱處理的模擬仿真第一章 球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真的理論基礎(chǔ)1.1 流固耦合有限元模擬仿真的理論基礎(chǔ)流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門力學(xué)分支，它是研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對(duì)流場(chǎng)影響這二者相互作用的一門科學(xué)。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)

11、。變形或運(yùn)動(dòng)又反過來影響流，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生形形色色的流固耦合現(xiàn)象。流固耦合問題可以理解為及涉及固體求解又涉及流體求解，而兩者又都不能被忽略的模擬問題。因?yàn)橥瑫r(shí)考慮流體和結(jié)構(gòu)特性，流固耦合可以有效節(jié)約分析時(shí)間和成本，同時(shí)保證結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律。所以，近年來流固耦合分析在工程設(shè)計(jì)特別是虛擬設(shè)計(jì)和仿真中的應(yīng)用越來越廣泛和深入。計(jì)算固體力學(xué)（Computational Solid Mechanics，簡稱CSM）是采用離散化的數(shù)值方法，并以電子計(jì)算機(jī)為工具，求解固體力學(xué)中各類問題的學(xué)科?；痉椒ㄊ牵涸谝呀⒌奈锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用

12、一定的離散化的數(shù)值方法，用有限個(gè)未知量去近似待求的連續(xù)函數(shù)，從而將微分方程問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程問題，并利用計(jì)算機(jī)求解。流體流動(dòng)現(xiàn)象大量存在于自然界及多種工程領(lǐng)域中，所有這些過程都受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。流體力學(xué)是研究流體現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)，而空氣動(dòng)力學(xué)可以作為它的一個(gè)特殊運(yùn)用的分支。20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。在2030年代，空氣動(dòng)力學(xué)的研究偏重于低速流動(dòng)，而在40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過音速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動(dòng)力學(xué)、物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。這些巨大進(jìn)展是

13、和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來用分析方法難以進(jìn)行的課題，可以用數(shù)值計(jì)算方法來進(jìn)行，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）這一新的分支學(xué)科。計(jì)算流體力學(xué)（以下簡稱為CFD）是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等，用一系列有限離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程

14、組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒力程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況等。還可據(jù)此算出相關(guān)的其他物理量，如旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、水力損失和效率等。此外，與CAD聯(lián)合還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。流體的流動(dòng)分為層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)。從試驗(yàn)的角度來看，層流流動(dòng)就是流體層與層之間相互沒有任何干擾，層與層之間既沒有質(zhì)量的傳遞也沒有動(dòng)量的傳遞；而湍流流動(dòng)中層與層之間相互有干擾，而且干擾的力度還會(huì)隨著流動(dòng)而

15、加大，層與層之間既有質(zhì)量的傳遞又有動(dòng)量的傳遞。判斷流動(dòng)是層流還是湍流，是看其雷諾數(shù)（Reynolds）是否超過臨界雷諾數(shù)。雷諾數(shù)的定義如下：式中V為截面的平均速度，L為特征長度，為流體的運(yùn)動(dòng)粘度。 流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可表述為：單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程（Mass Conservation Equation）：引入矢量符號(hào)，上式寫成：上式（3-19）和（3-20）中是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量，u

16、、v和w是速度矢量u在x、y和z方向的分量。動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。該走律實(shí)際上是牛頓第二定律。按照這一定律，可導(dǎo)出x、y和z三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程（Momentum Conservation Equation）：式中，p是流體微元體上的壓力；xx、xy和xz人等是因分子粘件作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量；Fx、Fy和Fz是微元體上的體力，若體力只有重力，且z軸豎直向上，則Fx0，F(xiàn)y0，F(xiàn)z-g。能量守恒定律是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為

17、：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。該定律實(shí)際是熱力學(xué)第一定律。流體的能量E通常是內(nèi)能i、動(dòng)能K(u2+v2+w2)/2和勢(shì)能P三項(xiàng)之和，我們可針對(duì)總能量E建立能量守恒方程。但是，這樣得到的能量守恒方程并不是很好用，一般是從中扣除動(dòng)能的變化，從而得到關(guān)于內(nèi)能i的守恒方程。而我們知道，內(nèi)能i與溫度T之間存在定關(guān)系，即icpT，其中cp是比熱容。這樣，我們可得到以溫度T為變量的能量守恒方程（Energy Conservation Equation）：該式可寫成如下展開形式：其中，cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流

18、體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，有時(shí)簡稱ST為粘性耗散項(xiàng)。1.2 10000立方球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真的研究方法本次10000立方球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真的研究流程如下：理論基礎(chǔ)工程實(shí)踐資料數(shù)據(jù)的分析球形儲(chǔ)罐三維立體模型的建立模擬仿真邊界條件的確定內(nèi)部流場(chǎng)分析球殼及腿柱溫度場(chǎng)分析球殼及腿柱應(yīng)力場(chǎng)、位移形變分析與工程實(shí)踐資料數(shù)據(jù)是否相符結(jié)論及誤差分析不 相 符相 符圖1-1 10000立方球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真的研究流程圖本次模擬仿真研究過程將使用三個(gè)計(jì)算機(jī)軟件，分別為Pro/Engineer、Fluent和ANSYS Workbench。具體過程為通過使用Pro/Engineer建立100

19、00立方米球形儲(chǔ)罐三維立體模型，利用ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析，通過ANSYS Workbench進(jìn)行進(jìn)行流固耦合，分析10000立方米球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移形變，如圖1-2。圖1-2模擬仿真研究的流固耦合流程圖圖1-2中，模塊A表示球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)的三維立體模型，由Pro/Engineer得到；模塊B表示基于Fluent的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)模擬仿真；模塊C表示球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱的溫度場(chǎng)模擬仿真，由Fluent與ANSYS Workbench流固耦合得到；模塊D表示球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱的應(yīng)力場(chǎng)和位移形變模

20、擬仿真，由ANSYS Workbench模擬得到；模塊E表示球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱的三維立體模型，由Pro/Engineer得到。第二章 球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真模型的建立及邊界條件的確定2.1 球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真中所需軟件的簡介2.1.1 三維造型軟件Pro/Engineer簡介Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣

21、。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。出分析的系統(tǒng)。Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色，實(shí)體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示（三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。Pro/Engineer是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對(duì)于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號(hào)

22、式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個(gè)參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計(jì)優(yōu)化更趨完美。2.1.2 流體分析軟件Fluent簡介Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場(chǎng)占有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于

23、采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。FLUENT同傳統(tǒng)的CFD計(jì)算方法相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：1、穩(wěn)定性好，F(xiàn)LUENT經(jīng)過大量算例考核，同實(shí)驗(yàn)符合較好；2、適用范圍廣，F(xiàn)LUENT含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應(yīng)用于從可壓到不可壓、從低速到高超音速、從單相流到多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域；3、精度提高，可達(dá)二階精度。2

24、.1.3 流固耦合分析平臺(tái)軟件ANSYS Workbench簡介Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中CAE軟件的異構(gòu)問題。ANSYS仿真協(xié)同環(huán)境的目標(biāo)是，通過對(duì)產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，搭建一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、集成多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)的仿真系統(tǒng)。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM為核心，組建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個(gè)環(huán)境中完成。開發(fā)這個(gè)協(xié)同仿真環(huán)境的平臺(tái)便是ANSYS Workbench。A

25、NSYS公司提供各類與仿真相關(guān)API以及用戶自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的API在Workbench環(huán)境下集成，形成應(yīng)用程序。希望對(duì)某CAD虛擬樣機(jī)分析時(shí)，從CAD系統(tǒng)中鏈接虛擬樣機(jī)模型，在Workbench開發(fā)的應(yīng)用程序中設(shè)置計(jì)算參數(shù)，如設(shè)計(jì)尺寸、工程材料或運(yùn)行工況等，然后提交給希望的底層求解器求解。計(jì)算結(jié)果返回Workbench程序進(jìn)行結(jié)果顯示。基于Workbench的仿真環(huán)境有三點(diǎn)與傳統(tǒng)仿真環(huán)境有所不同：1、客戶化：Workbench像PDM那樣，利用與仿真相關(guān)的API，根據(jù)用戶的產(chǎn)品研發(fā)流程特點(diǎn)開發(fā)實(shí)施形成仿真環(huán)境，而且用戶自主開發(fā)的API與ANSYS 已有的API平等。這一特點(diǎn)也稱為“實(shí)施性”；2、

26、集成性：Workbench把求解器看作一個(gè)組件，不論由哪個(gè)CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經(jīng)過簡單開發(fā)都可直接調(diào)用；3、參數(shù)化：Workbench對(duì)CAD系統(tǒng)的關(guān)系不同尋常。它不僅直接使用異構(gòu)CAD系統(tǒng)的模型，而且建立與CAD系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動(dòng)關(guān)系。當(dāng)我們結(jié)合世界制造業(yè)信息化主旋律，在數(shù)字化工程背景下審視這三個(gè)特點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)Workbench將給產(chǎn)品研發(fā)流程帶來革命性的變化。2.2 10000立方米球形儲(chǔ)罐三維立體模型的建立及網(wǎng)格劃分2.2.1球形儲(chǔ)罐三維模型的建立本文中10000立方米球形儲(chǔ)罐三維立體模型通過Pro/Engineer三維造型軟件繪制完成。根據(jù)在現(xiàn)有

27、的工程實(shí)踐中繪制的AutoCAD圖紙，并根據(jù)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬仿真的需要，對(duì)模型進(jìn)行一定的簡化，繪制三維立體模型，如圖2-1所示。圖2-1 10000立方米球形儲(chǔ)罐三維造型圖在對(duì)10000立方米球形儲(chǔ)罐進(jìn)行三維造型時(shí)，將整個(gè)模型分為三個(gè)部分考慮，即內(nèi)部流場(chǎng)、腿柱下部、球罐殼體及腿柱下部。將腿柱分為兩個(gè)部分考慮，是因?yàn)楦鶕?jù)國標(biāo)GB50094-2010規(guī)定，球形儲(chǔ)罐上的人孔、接管、連接板均進(jìn)行保溫，從支柱與球殼連接焊縫的下端算起，向下不少于1m長度范圍內(nèi)的支柱應(yīng)進(jìn)行保溫。在球罐三維造型時(shí)，將腿柱以托板下1.5m出水平面為界分為上下兩個(gè)部分，即設(shè)計(jì)時(shí)，托板下1.5m范圍內(nèi)設(shè)置保溫層。在模擬時(shí)，

28、分別對(duì)腿柱上下兩部分設(shè)置不同的溫度邊界條件，以區(qū)分不同的保溫條件，如圖2-2所示。圖2-2 10000立方米球形儲(chǔ)罐三維模型結(jié)構(gòu)圖ZONG.ASM表示10000立方米球形儲(chǔ)罐三維總裝配體，QIUGUAN.PRT表示球罐殼體及腿柱上部，TUIZHU.PRT表示腿柱下部，LIUCHANG.PRT表示球罐內(nèi)部空腔。在設(shè)置導(dǎo)流傘的10000立方米球形儲(chǔ)罐三維模型中，DAOLIUSAN.PRT表示導(dǎo)流傘，如圖2-3所示。圖2-3 設(shè)置導(dǎo)流傘的10000立方米球形儲(chǔ)罐三維模型結(jié)構(gòu)圖設(shè)置導(dǎo)流傘的10000立方米球形儲(chǔ)罐三維模型在造型時(shí)，繪制導(dǎo)流傘的三維模型，并且在球罐內(nèi)部空腔模型中去除導(dǎo)流傘所占據(jù)的空間位置

29、。導(dǎo)流傘的形狀及位置根據(jù)工程CAD繪制，導(dǎo)流傘模型如圖2-4所示。圖2-4 導(dǎo)流傘三維造型圖2.2.2球形儲(chǔ)罐三維模型的網(wǎng)格劃分將通過Pro/Engineer軟件繪制完成的球罐三維造型圖導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)將模型分為兩個(gè)部分，即模塊A（球罐內(nèi)部流場(chǎng)）和模塊E（球罐殼體及腿柱）。在模塊A中將球罐殼體及腿柱部分對(duì)應(yīng)的三維模型排除，在模型樹中顯示為“”形，如圖2-5所示，表示在網(wǎng)格劃分時(shí)，只對(duì)球罐內(nèi)部流場(chǎng)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同理，在模塊E中，排除球罐內(nèi)部流場(chǎng)三維模型，對(duì)球罐殼體及腿柱進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2-5 球罐三維模型樹在模塊B中，選擇劃分網(wǎng)格的類型為CFD

30、，求解器為Fluent?？紤]到計(jì)算的精度和效率，直燒法10000立方米球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格共分為74547個(gè)節(jié)點(diǎn)和418642個(gè)單元，如圖2-6。在設(shè)置導(dǎo)流傘的球罐內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分過程中，考慮到計(jì)算精度的需要，故將模型劃分為215144個(gè)節(jié)點(diǎn)和1188968個(gè)單元。在模塊C中，將直燒法10000立方米球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱共劃分為133676個(gè)節(jié)點(diǎn)和66662個(gè)單元。同理將設(shè)置導(dǎo)流傘的球罐殼體及腿柱共劃分為436695個(gè)節(jié)點(diǎn)和218683個(gè)單元。圖2-6 直燒法10000立方米球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格2.3 10000立方米球形儲(chǔ)罐邊界條件的確定2.3.1基于Fluent的流場(chǎng)模擬仿真邊界條件的確定在

31、網(wǎng)格劃分完成之后，進(jìn)入Fluent軟件界面，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行流場(chǎng)分析，如圖2-7所示。檢查模型單位及網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置重力參數(shù)，方向?yàn)椤?Y”向，大小為9.8m/s2。圖2-7 Fluent軟件界面在模式“Models”選項(xiàng)中將“Energy”選項(xiàng)設(shè)置為On。因?yàn)榭諝獾恼扯群苄?，故氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)較大，氣體流動(dòng)屬于湍流模式，所以在“Viscous”中選擇“k-epsilon（2 eqn）”模式。在材料“Material”選項(xiàng)中新建材料“air-600”和“q345r”，查找相關(guān)資料，修改材料參數(shù)，如圖2-8所示。同時(shí)，將流場(chǎng)模擬的材料更改為“air-600”和“q345r”。圖2-8 新材料“

32、air-600”和“q345r”的建立在“Boundary Conditions”選項(xiàng)中，將氣體入口“in”設(shè)置為“velocity-inlet”，即速度邊界條件入口，氣體溫度為970K，速度大小為22.2m/s，方向?yàn)椤?Y”，如圖2-9；將氣體出口“out”設(shè)置為“outflow”，即不清楚出口條件；將球罐殼體內(nèi)表面“wall”設(shè)置為“wall”，換熱系數(shù)為6.88w/（m2K），自由系統(tǒng)溫度為848K，壁厚為0.136m，如圖2-10。球殼換熱參數(shù)的設(shè)置需考慮到球罐熱處理在進(jìn)入保溫階段時(shí)，已經(jīng)具有較高的溫度，如此設(shè)置換熱條件而不是簡單地設(shè)置為熱流率邊界條件，得到的模擬結(jié)果與真實(shí)情況更為接

33、近，誤差更小。圖2-9 入口邊界條件設(shè)置圖2-10 壁面邊界條件設(shè)置熱平衡計(jì)算基本公式：本熱平衡計(jì)算以下人孔到上人孔之間作為球罐的熱平衡區(qū)域。在一個(gè)工作周期內(nèi)，熱處理過程需總熱量Q由下式計(jì)算：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6式中，Q1為加熱球罐金屬的有效熱量，Q2為絕熱層散失的熱量，Q3為絕熱層蓄熱損失，Q4為燃料油化學(xué)未完全燃燒的熱損失，Q5為燃料油機(jī)械不完全燃燒的熱損失，Q6為由煙囪排出煙氣時(shí)帶走的熱量，kJ/h。Q1按下式計(jì)算：Q1=m1(ci+1ti+1-citi)/Tm式中，m1為球殼熱處理質(zhì)量，kg；ti、ti+1分別為球殼在熱處理溫度區(qū)間的下限、上限溫度，；Tm為球殼從熱處

34、理溫度區(qū)間下限溫度加熱到上限溫度所需的時(shí)間，h；ci、ci+1分別為球殼在溫度ti和ti+1時(shí)的比熱容，kJ/(kg)。本算例中，下標(biāo)m取16；ti分別取t0=-5，t1= 100，t2= 200，t3= 300，t4=400，t5=500，t6=600。Q2按下式計(jì)算：式中，th為球殼熱處理區(qū)間上限溫度，te為熱處理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，；d1為球罐內(nèi)直徑，d2為球罐外徑，d3為絕熱層外徑，m；m為球殼板的熱導(dǎo)率，n為隔熱材料的熱導(dǎo)率，W/(m)；a為隔熱層外表面對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)；考慮到除球殼外的法蘭和腿柱的散熱，設(shè)為形狀系數(shù)，可取1.1。本算例中，m、n、a均取17；th分別取值

35、t1=100，t2=200，t3=300，t4=400，t5=500，t6=600，t7=625。保溫棉外層溫度按下式計(jì)算：t外=te+Q2/3.6d2 d3aQ3按下式計(jì)算：Q3=m2cj(tj+1-tj)/Tm式中，m2為隔熱層質(zhì)量，kg；cj為隔熱層的平均比熱容，kJ/(kg)；tj、tj+1分別為隔熱層在熱處理區(qū)間初始平均溫度和終了平均溫度，。本文算例中，j取07，t0=te，t1t7依次以100為分隔點(diǎn)。Q4按下式計(jì)算：Q4=0.0553QhBn式中，Qh為燃料油高位熱值,通常可取Qh=44480 kJ/kg；為過?？諝庀禂?shù)，可取=1.3；Bn為每個(gè)溫度區(qū)間的燃油消耗量，kg/h。Q

36、5按下式計(jì)算：Q5=KBnQL式中，K為機(jī)械不完全燃燒損失率，取K=0.025；QL為燃料油低溫?zé)嶂担扇L=41860 kJ/kg。Q6按下式計(jì)算:Q6=bQLBn式中，b為煙氣帶走熱量的百分率，%。本文算例中，b、n取17。溫度區(qū)間及升溫速度的規(guī)定根據(jù)熱處理周期將整個(gè)溫度區(qū)間按100為單位進(jìn)行劃分，加熱各溫度區(qū)間所需要的時(shí)間Tm=100/v。熱物理常數(shù)的確定Q345R的熱物理常數(shù)見表1，密度1=7850 kg/m3。硅酸鋁棉氈的熱物理常數(shù)見表2，密度2=100 kg/m3。絕熱層對(duì)空氣的傳熱系數(shù)a、絕熱層的平均溫度tj及煙氣帶走熱量的百分率b見表3。表1Q345R的比熱容及熱導(dǎo)率溫度/各

37、溫度段平均比熱容ci/kJkg-1-1各溫度段熱導(dǎo)率m/Wm-1-11000.48651.082000.50247.733000.51943.964000.53639.575000.54836.006000.58632.56600250.61831.82表2硅酸鋁棉氈的比定壓熱容及熱導(dǎo)率溫度/定壓比熱容cp/kJkg-1-1平均熱導(dǎo)率m/ Wm-1-11000.9620.04132000.9620.05123000.9620.06114000.9620.07105000.9620.08096000.9620.0908600250.9620.0933表3各溫度區(qū)間絕熱層對(duì)空氣的傳熱系數(shù)、平均溫度

38、及煙氣帶走熱量的百分率溫度區(qū)間/空氣的傳熱系數(shù)a/kJm-2-1平均溫度tj/煙氣帶走熱量的百分率b/%te10015.2749.69.510020017.92101.713.520030019.80154.217.030040021.38207.119.840050022.73260.423.650060024.01313.928.46002524.30314.829.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：球罐內(nèi)直徑d1=26800 mm，外直徑d2=26872 mm，厚度1=36 mm。絕熱層選用硅酸鋁棉氈，厚度2=70 mm，即絕熱層外徑d3=27012 mm。環(huán)境溫度 te=-5，熱處理工藝規(guī)定為(60025)

39、，保溫90 min。計(jì)算各部分質(zhì)量，熱處理質(zhì)量m1=690000kg，絕熱層質(zhì)量m2=17500kg。計(jì)算各溫度區(qū)間的各種消耗：各溫度區(qū)間的熱損失見表4、各溫度區(qū)間保溫層外層溫度見表5。表4各溫度區(qū)間的熱損失計(jì)算值溫度區(qū)間/Q1/kJh-1Q2/kJh-1Q3/kJh-1Q4/kJh-1Q5/kJh-1Q6/kJh-1te1001.1737E75.589E53.064E53.2E3Bn1.05E3Bn3.98E3Bn1002001.1914E71.353E62.924E53.2E3Bn1.05E3Bn5.65E3Bn2003001.2719E72.401E62.946E53.2E3Bn1.05

40、E3Bn7.12E3Bn3004001.3501E73.706E62.969E53.2E3Bn1.05E3Bn8.29E3Bn4005001.3708E75.262E62.991E53.2E3Bn1.05E3Bn9.89E3Bn5006001.3386E77.081E62.252E53.2E3Bn1.05E3Bn1.19E4Bn6002507.575E603.2E3Bn1.05E3Bn1.22E4Bn表5 保溫層外層溫度熱處理溫度/保溫層外層溫度/-5-5.0100-0.92003.43008.440014.250020.760027.762529.5根據(jù)熱處理過程中的熱平衡關(guān)系，對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間

41、燃料燃燒放出的熱量等于熱處理過程中消耗的量，燃油消耗量Bn按下式計(jì)算：Q=QLBnQ=Q此溫度區(qū)間燃料每小時(shí)消耗量：Bn=Q/QL=Q/QL表6各溫度區(qū)間的用油量及本周期的總耗油量溫度區(qū)間/本溫度周期加熱所需時(shí)間Tm/h燃料消耗Bn/kgh-1周期燃料消耗B/kgte1003374.71124.11002003424.31272.92003003505.61516.83004003597.01791.04005003695.12085.35006004804.83219.2600251.5（1*）298.1298.1合計(jì)2011307.4（注：由于球罐平均溫度從575到600升溫過程與6002

42、5保溫過程時(shí)間發(fā)生重疊，故將平均溫度從575到600升溫過程納入到從500到600升溫過程中進(jìn)行計(jì)算。故60025保溫過程時(shí)間為1.5h，熱平衡按1h計(jì)算。）從表6看出，10000m3、Q345R制36 mm厚的球罐整體熱處理的主要控制數(shù)據(jù)為：熱處理周期(不含降溫時(shí)間)20 h，總耗油量11307.4 kg，最大耗油量804.8 kg/h，最小耗油量為298.1 kg/h。保溫階段模擬參數(shù)計(jì)算：柴油的主要成分是含9到18個(gè)碳原子的鏈烷、環(huán)烷或芳烴，是一種由多種有機(jī)物組成的混合物，無固定分子式。所以，碳原子數(shù)取中值，假設(shè)柴油的分子式為C14H24O2，摩爾質(zhì)量為224g/mol。M油=Bn/22

43、4=1330.8mol/h因?yàn)椋?mol柴油（假設(shè)柴油的分子式為C14H24O2）完全燃燒需要19mol的氧氣。M空=M油1932g/mol（n-1）+ M油190.210.7928g/moln+ M油1444g/mol+ M油1218g/mol=298.1+3472.5n kg/h式中，n為假設(shè)的空氣系數(shù)。通過對(duì)已知工程實(shí)踐數(shù)據(jù)的分析和模擬，這里n取4.4。代入上式， M空=15577kg/h。根據(jù)：Q=Cp M空t計(jì)算得出t為702，所以入口邊界條件中的氣體溫度設(shè)置為：t=t-5+273=970K入口邊界條件中的氣流速度可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：V= 4M空/（D2）式中，為氣體密度；D為入口直

44、徑。將相關(guān)參數(shù)代入上式，求得V=22.2m/s。球罐殼體的換熱系數(shù)可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：Q2=3.6d2 d3h（t-848）式中， h為換熱系數(shù)；q為熱流密度；t為入口氣體溫度。將相關(guān)參數(shù)代入上式，可得到換熱系數(shù)h為6.88w/（m2K），熱流密度q為839 w/m2。在對(duì)直燒法和設(shè)置導(dǎo)流傘的10000立方米球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真研究過程，設(shè)置相同的邊界條件，分析兩者溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移形變的區(qū)別，研究導(dǎo)流傘的作用。在ANSYS Workbench中新建名為“Q345R”的材料，并設(shè)置相關(guān)的材料參數(shù)。Q345R的熱導(dǎo)率參數(shù)設(shè)置如圖2-11，熱膨脹率參數(shù)設(shè)置如圖2-12。圖2-11 Q345

45、R的熱導(dǎo)率參數(shù)設(shè)置圖2-12 Q345R的熱膨脹率參數(shù)設(shè)置在模塊C中對(duì)球罐進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬過程中，分別對(duì)球罐殼體和腿柱設(shè)置不同的換熱邊界條件，表示不同的保溫狀態(tài)。在Fluent流場(chǎng)計(jì)算完成之后，導(dǎo)入球罐內(nèi)表面的溫度條件，進(jìn)行流固耦合，并通過ANSYS Workbench有限元分析得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移形變，如圖2-13。圖2-13 模塊C中相關(guān)參數(shù)設(shè)置第三章 直燒法球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真結(jié)果分析3.1直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖3-1所示：圖3-1 直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)分布圖直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體流動(dòng)過程為從球罐底部入口進(jìn)入后一直向頂部流

46、動(dòng)，受到球罐頂部球殼的阻礙及頂部出口幾何尺寸的影響，氣體部分通過頂部出口流出，分布沿壁面向下流動(dòng)，如圖3-2。圖3-2 直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)矢量圖根據(jù)直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體流動(dòng)過程，可以得出直燒法球形儲(chǔ)罐溫度分布規(guī)律為中心底部溫度高于中心頂部，中心頂部溫度高于四周壁面，如圖3-3。球罐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布與流場(chǎng)分布保持一致。壁面的溫度均在國標(biāo)GB50094-2010規(guī)定的60025溫度范圍內(nèi)，達(dá)到了整體熱處理的目的。圖3-3 直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖3.2直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖3-4、3-5、3-6所示：圖3-4 直燒法球形儲(chǔ)

47、罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布正視圖圖3-5 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布俯視圖圖3-6 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布仰視圖直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布規(guī)律與直燒法球形儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體流場(chǎng)相一致，符合科學(xué)理論和實(shí)際工程測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)模擬結(jié)果，直燒法球形儲(chǔ)罐熱處理溫度場(chǎng)分布規(guī)律為球罐頂部溫度最高，并向底部依次逐漸降低，溫差接近40。赤道附近向外突出的法蘭及管道溫度略低于同一水平位置的其他部分，造成這種現(xiàn)象的原因是熱處理過程中，氣體難以流入向外突出的空腔內(nèi)，空腔內(nèi)氣體溫度均勻性較差。圖3-7 直燒法球形儲(chǔ)罐腿柱溫度場(chǎng)分布圖圖3-7為直燒法球形儲(chǔ)罐腿柱溫度場(chǎng)分布圖，表示腿柱由于保溫條件不同而形

48、成的溫度梯度分布。由圖3-7可以看出，由于腿柱上端覆蓋保溫材料而下端與空氣直接進(jìn)行熱傳導(dǎo)，此分界面處形成明顯的溫度梯度。3.3直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱應(yīng)力場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖3-8所示：圖3-8 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱應(yīng)力場(chǎng)分布圖由圖3-8可以看出，直燒法球罐殼體應(yīng)力整體分布規(guī)律為赤道附近與腿柱鏈接處應(yīng)力最大，并向兩側(cè)逐漸減小。上法蘭、下法蘭及赤道附近的兩個(gè)法蘭由于形狀突變，造成應(yīng)力集中，應(yīng)力較大。腿柱與球罐殼體連接處由于應(yīng)力集中效應(yīng)和較大的溫度梯度效應(yīng)這兩個(gè)原因，應(yīng)力最大。3.4直燒法球形儲(chǔ)罐整體位移形變模擬結(jié)果分析直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱總體位移形

49、變模擬結(jié)果如圖3-9所示，各不同方向的位移形變模擬結(jié)果如圖3-10、3-11和3-12所示：圖3-9 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱總體位移形變分布圖圖3-10 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱豎直方向位移形變分布圖圖3-11 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱水平方向（X軸方向）位移形變分布圖圖3-12 直燒法球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱水平方向（Z軸方向）位移形變分布圖由圖3-9可以看出，直燒法球罐殼體及腿柱總體位移形變量分布規(guī)律為球罐頂部位移形變量最大，為159.33mm，并向底部逐漸減小，底部位移形變量最小，為71.203mm。由圖3-10、3-11和3-12可知，在球罐整體熱處理過程中，球罐殼體向外側(cè)發(fā)生熱膨脹，球罐

50、的變形呈明顯對(duì)稱分布，球罐赤道處位移形變量在113.78mm到117.61mm之間，赤道法蘭處較大，為124.8mm。第四章 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐整體熱處理模擬仿真結(jié)果分析4.1設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖4-1所示。圖4-1 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)分布圖設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體流動(dòng)過程為從球罐底部入口進(jìn)入后向頂部流動(dòng)直到受到導(dǎo)流傘阻礙，氣體在導(dǎo)流傘的作用下向四周流動(dòng)，受到四周壁面的阻礙后，分別沿壁面向球罐底部和頂部流動(dòng)，向頂部流動(dòng)的氣體部分通過頂部出口流出，另一部分向?qū)Я鱾沩敳炕亓?，如圖4-2。導(dǎo)流傘附近流場(chǎng)的分布如圖4-3所

51、示。圖4-2 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)矢量圖圖4-3導(dǎo)流傘附近流場(chǎng)矢量圖根據(jù)設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體流動(dòng)過程，可以得出設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐溫度分布規(guī)律為中心底部溫度高于中心頂部，球罐殼體赤道略微偏下部位溫度最高，球罐下半部分溫度高于上半部分，如圖4-4。球罐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布與流場(chǎng)分布保持一致。壁面的溫度均在國標(biāo)GB50094-2010規(guī)定的60025溫度范圍內(nèi)，達(dá)到了整體熱處理的目的。圖4-4 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖4.2設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖4-5、4-6、4-7所示：圖4-5 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形

52、儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布正視圖圖4-6 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布俯視圖圖4-7 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布仰視圖設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐殼體及腿柱溫度場(chǎng)分布規(guī)律與設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體流場(chǎng)相一致，符合科學(xué)理論和實(shí)際工程測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐熱處理溫度場(chǎng)分布規(guī)律為球罐赤道略微偏下部位溫度最高，并向兩側(cè)依次逐漸降低，球罐下部平均溫度高于上部，溫差在25左右。赤道附近向外突出的法蘭及管道溫度略低于同一水平位置的其他部分，造成這種現(xiàn)象的原因與直燒法球形儲(chǔ)罐整體熱處理，但是由于在設(shè)置導(dǎo)流傘的情況下，這兩組法蘭及管道處的氣體流動(dòng)較直燒法球罐整體熱處理時(shí)劇烈，所以此兩組法蘭及管道處溫度高于直燒法球形儲(chǔ)罐整體熱處理相同位置的溫度。圖4-8 設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐腿柱溫度場(chǎng)分布圖圖4-8為設(shè)置導(dǎo)流傘的球形儲(chǔ)罐腿柱溫度場(chǎng)分布圖，其溫度場(chǎng)分布規(guī)律與直燒法球形儲(chǔ)罐腿柱溫度場(chǎng)分布規(guī)律相同。4.3設(shè)