超低溫閥門的辦公溫度極低（77K），因?yàn)檫@個(gè)在預(yù)設(shè)這類閥門時(shí)，除開應(yīng)遵循普通閥門的預(yù)設(shè)原則外，還有一點(diǎn)特別的要求。那里面關(guān)緊的一點(diǎn)兒就是要求閥門的結(jié)構(gòu)保障填料處于0℃以上的溫度背景下辦公，例如認(rèn)為合適而使用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫媒介盡力遠(yuǎn)些，起到盡力照顧填料函的功能。

  填料函的嚴(yán)密封閉性是低溫閥的關(guān)鍵之一。該處如有泄露，將導(dǎo)致填料與閥桿處上凍，影響閥桿的正常操作，同時(shí)也會(huì)因閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，引動(dòng)嚴(yán)重泄露。

  一種新式閥門的研發(fā)從預(yù)設(shè)、制造、加工裝配不止需求耗費(fèi)數(shù)量多的人的勞力、物力以及資力，有時(shí)候，預(yù)設(shè)出的新式閥門不可以保障預(yù)先期待的性能指標(biāo)，因?yàn)檫@個(gè)近年來(lái)，閥門的虛擬預(yù)設(shè)與仿真是閥門預(yù)設(shè)的一種關(guān)緊的形式，可對(duì)產(chǎn)品的性能給出開始階段的的名聲，浙江大學(xué)的金滔 ，中國(guó)科學(xué)校等離子體物理研討所的丁小東作別對(duì)低溫截至閥和低溫調(diào)節(jié)閥施行了低溫嘗試下的動(dòng)態(tài)剖析和穩(wěn)態(tài)剖析，提出了經(jīng)過(guò)在氮?dú)獗尘袄锾砑拥V棉保暖材料來(lái)增長(zhǎng)填料函的溫度。本文認(rèn)為合適而使用ANSYS有限元剖析軟件作為建模和剖析平臺(tái)對(duì)通徑為DN15的LNG船用超低球閥門施行熱能功剖析，因此分辨斷定所預(yù)設(shè)的閥門第閥閱頸長(zhǎng)度是否合理，況且研討了卻構(gòu)因素對(duì)填料函溫度的影響。

  1 板型

  1.1 板型的樹立和有限元網(wǎng)格區(qū)分清楚

  預(yù)設(shè)的超低溫閥門為DN15超低溫球閥。超低溫球閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼，低溫媒介為1MPa的液氮，表1，表2作別為不銹鋼材料以及氮的物性參變量隨溫度的變動(dòng)。因?yàn)殚y門呈核心面臨稱，因?yàn)檫@個(gè)取其對(duì)稱的二分之一施行建模，認(rèn)為合適而使用熱剖析單元SOLID87施行網(wǎng)格區(qū)分清楚。圖1，圖2為DN15超低溫球閥開啟和關(guān)閉時(shí)簡(jiǎn)化后的板型。

  表1 不銹鋼物性參變量

  表2 氮的物性參變量（1MPa）

  圖1 開啟狀況時(shí)的網(wǎng)格區(qū)分清楚

  1.閥頸 2.閥桿 3.閥體

  圖2 關(guān)閉狀況時(shí)的網(wǎng)格

  1.2 算術(shù)板型

  因?yàn)椴牧系奈镄允请S溫度變動(dòng)的，且思索問(wèn)題到輻射導(dǎo)熱，因?yàn)檫@個(gè)該熱剖析歸屬非線性熱剖析。

  閥門在管路中敞開以及關(guān)閉摹擬的是穩(wěn)態(tài)剖析，因?yàn)檫@個(gè)穩(wěn)態(tài)熱剖析的扼制方程為：

  相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)非線性均衡方程為：

  方程可以等效為：

  式中：

  ［Qnr］為內(nèi)里節(jié)點(diǎn)暖流向量，由計(jì)算單元暖流得出，［Qa］為負(fù)荷引動(dòng)的節(jié)點(diǎn)暖流向量。

  起初條件下，內(nèi)里節(jié)點(diǎn)暖流不等給予的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。不公平衡暖流向量是兩個(gè)向量的差值：

  求解過(guò)程中運(yùn)用牛頓－拉夫森辦法，具體步驟如下所述：

  （1）求解系統(tǒng)方程的增量方式

  （2）更新節(jié)點(diǎn)溫度。

  （3）由單元暖流計(jì)算內(nèi)里節(jié)點(diǎn)暖流效率。

  （4）計(jì)算收斂最后結(jié)果與收斂準(zhǔn)側(cè)比較。

  （5）迭代。

  2 管路開啟與關(guān)閉工況下的穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算

  2.1 邊界條件

  閥門外外表按對(duì)流換熱條件和輻射換熱條件設(shè)定，閥門外背景溫度為298K，對(duì)流換熱系數(shù)取10［W/（m2?K）］。Stenfan-Bolzman常數(shù)為5.6710－8。對(duì)稱面取絕熱邊界條件。因?yàn)殚y門辦公溫度很低，牢穩(wěn)時(shí)，閥門流道里外表溫度靠近媒介溫度，閥門流道里外表溫度設(shè)定為77K。

  2.2 論斷剖析

  在管路中閥門開啟與關(guān)閉時(shí)，閥頸的長(zhǎng)度要求能夠滿意填料函不凍結(jié)的要求，在設(shè)定的邊界條件下經(jīng)過(guò)變更閥頸的長(zhǎng)度獲得與之相對(duì)應(yīng)的填料函底部溫度。圖3是超低溫球閥在管路中開啟狀態(tài)下的溫度散布，填料函底部的溫度為274.59K，圖4是超低溫球閥在管路中關(guān)閉狀態(tài)下的溫度散布，填料函底部的溫度為275.89K。

  圖3 開啟狀況時(shí)的溫度散布圖

  圖4 關(guān)閉狀況時(shí)的溫度散布

  3 超低溫閥門結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)填料函底部溫度的影響

  超低溫閥門在運(yùn)用過(guò)程中，閥門通道內(nèi)處于冷端溫度下（77K），閥體外外表與背景空氣施行天然對(duì)流換熱，冷量一小批從徑向傳交到外部背景中，一小批軸向傳交到閥桿的頂部。因?yàn)殚y門各零件的接觸沒(méi)可能達(dá)到絕對(duì)嚴(yán)密封閉，閥門流道里有一小局部的媒介會(huì)液體變氣體，要得閥桿與閥體空隙處飽含了氣體，閥桿與閥體內(nèi)壁纏綿在溫差，不止萌生熱輻射，也有可能造成空隙內(nèi)的氣體萌生天然對(duì)流，加強(qiáng)了徑向的卡路里傳交。再者，閥頸厚度的變更，也會(huì)填料函底部的溫度萌生影響。因船用閥門為這個(gè)在超低溫閥門的預(yù)設(shè)過(guò)程中要思索問(wèn)題閥頸厚度和閥頸與閥桿之間的空隙對(duì)超低溫閥門溫度場(chǎng)的影響。

  3.1 閥桿與閥頸空隙尺寸對(duì)填料函底部溫度的影響

  3.1.1 流場(chǎng)剖析

  本板型將閥頸與閥桿之間的內(nèi)里當(dāng)做是豎直閉合夾層的天然對(duì)流換熱，夾層內(nèi)流體的流動(dòng)，主要決定于于以?shī)A層厚度為特點(diǎn)標(biāo)志長(zhǎng)度的Gr數(shù)。

  當(dāng)Gr極低時(shí)換熱有賴純熱傳導(dǎo)。隨著Gr的增長(zhǎng)，會(huì)順次顯露出來(lái)向?qū)恿魈攸c(diǎn)標(biāo)志過(guò)度的流動(dòng)（環(huán)流）、層流特點(diǎn)標(biāo)志的流動(dòng)、湍流特點(diǎn)標(biāo)志的流動(dòng)。

  定性溫度為：

  在豎直夾層，經(jīng)過(guò)夾層的換卡路里應(yīng)是熱傳導(dǎo)和輻射換熱兩者之和。當(dāng)Gr≤2860時(shí)，夾層中通過(guò)氣體媒介的卡路里傳交主要為純熱傳導(dǎo)和輻射換熱兩者之和，在夾層中氣體媒介卡路里傳交處于純熱傳導(dǎo)狀況時(shí)，因?yàn)闅怏w的熱傳導(dǎo)熱阻非常大，其卡路里傳交量較小，當(dāng)夾層壁面間溫差較鐘頭，輻射傳卡路里也小，傳卡路里可以疏忽；當(dāng)夾層壁面間溫差稍大，所引動(dòng)的輻射換熱增加，輻射傳卡路里就不可以疏忽。當(dāng)Gr>2860時(shí)，夾層中通過(guò)氣體媒介的卡路里傳交就不是熱輻射加純熱傳導(dǎo)過(guò)程，會(huì)顯露出來(lái)天然對(duì)流，純熱傳導(dǎo)就變更為對(duì)流換熱，熱傳交量大大增加。利用上面所說(shuō)的公式理論計(jì)算出，在尺寸預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，Gr≤2860，因?yàn)檫@個(gè)，夾層中通過(guò)氣體媒介的卡路里傳交主要為純熱傳導(dǎo)和輻射換熱兩者之和。

  3.1.2溫度場(chǎng)剖析

  當(dāng)閥頸厚度，閥頸長(zhǎng)度未變時(shí)，圖3，圖5，圖6作別是閥桿與閥頸之間的空隙有1mm，3mm，5mm的閥門溫度散布圖。

  圖5 空隙為3mm時(shí)的溫度散布

  圖6 空隙為5mm時(shí)的溫度散布

  從圖中最后結(jié)果可以看出，當(dāng)閥桿與閥頸之間的空隙尺寸變厚時(shí)，填料函底部的溫度減低，溫度作別為274.59K，273.84K，272.52K，不過(guò)數(shù)字變動(dòng)細(xì)小。圖7所示為閥桿與閥頸空隙對(duì)填料函底部的溫度的影響。

  圖7 閥桿與閥頸空隙對(duì)填料函底部的溫度的影響

  摹擬最后結(jié)果表明，當(dāng)空隙內(nèi)經(jīng)過(guò)氣體的換熱處于純熱傳導(dǎo)不銹鋼閥門加輻射導(dǎo)熱時(shí)，因?yàn)榈獨(dú)獾臒醾鲗?dǎo)系數(shù)小，在經(jīng)過(guò)空隙的導(dǎo)熱過(guò)程中，熱傳導(dǎo)所占傳卡路里的份額細(xì)小，同時(shí)因?yàn)殚y桿與閥頸空隙尺寸度較小，摹擬取值的氮?dú)庀秾?duì)群體閥門的溫度散布影響細(xì)小。因?yàn)檫@個(gè)在施行超低溫閥門的預(yù)設(shè)時(shí)，閥桿與閥頸間空隙在尺寸預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，空隙尺寸對(duì)填料函底部溫度的影響可以疏忽不計(jì)較。

  3.2 閥頸的厚度對(duì)填料函底部溫度的影響

  當(dāng)閥頸與閥桿之間的空隙厚度和閥頸長(zhǎng)度未變時(shí)，圖3，圖8，圖9作別是閥頸的厚度有4mm，6mm，8mm的閥門溫度散布圖，從圖中最后結(jié)果可以看出，當(dāng)閥頸厚度變厚時(shí)，填料函底部的溫度表面化減低，溫度作別為274.59K，263.32K，259.35K。圖10所示為閥頸厚度對(duì)填料函底部的溫度的影響。

  圖8 閥頸頸部厚度為6mm時(shí)的溫度散布

  圖9 閥頸頸部厚度為8mm時(shí)的溫度散布

  圖10 閥頸厚度對(duì)填料函底部的溫度的影響

  摹擬最后結(jié)果表明，當(dāng)閥頸與閥桿之間的空隙厚度和閥頸長(zhǎng)度未變時(shí)，隨閥頸厚度增加，填料函處的溫度有較表面化減退。圖10為閥頸厚度對(duì)填料函的溫度的影響。摹擬揭示了長(zhǎng)頸閥蓋閥頸厚度是影響填料函底部溫度的關(guān)緊因素之一，施行小口徑的超低溫閥門的預(yù)設(shè)時(shí)，在滿意強(qiáng)度的前提下盡有可能減小閥頸的厚度。

  4 論斷

  使用有限元剖析軟件ANSYS對(duì)DN15船用LNG超低溫球閥施行了開啟和關(guān)閉狀況下的建模和有限元剖析。得出了這兩種辦公狀況下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)散布。

  （1）預(yù)設(shè)的DN15船用超低溫球閥的尺寸，在超低溫球閥開啟和關(guān)閉狀況下，均能滿意填料函底部不凍結(jié)現(xiàn)象。

  （2）在施行DN15船用超低溫閥門的預(yù)設(shè)時(shí)，當(dāng)閥頸長(zhǎng)度未變時(shí)在保障閥門強(qiáng)度的條件下可減損閥頸的厚度，增長(zhǎng)填料函底部的溫度。

  （3）對(duì)于DN15船用超低溫球閥，閥頸的厚度是影響填料函底部溫度的關(guān)緊影響因素，隨著閥頸尺寸變厚，填料函底部的溫度表面化減退。閥頸與閥桿之間的空隙對(duì)填料函底部的溫度影響細(xì)小。