利用Simdroid實(shí)現(xiàn)銷釘水冷壁熱仿真流程封裝

銷釘式水冷壁作為一種常見的水冷結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)力鍋爐、煤化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用環(huán)境等因素影響，銷釘式水冷壁在工程中常出現(xiàn)耐火材料減薄/脫落、銷釘端部燒損、水冷壁管爆管等問題，影響了銷釘水冷壁的正常使用和設(shè)備壽命，并有安全風(fēng)險(xiǎn)。為了更好地了解銷釘式水冷壁結(jié)構(gòu)的溫度場分布，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，可采用自主通用多物理場仿真平臺(tái)Simdroid軟件進(jìn)行熱場分析和參數(shù)化仿真APP封裝。設(shè)計(jì)工程師使用封裝的仿真APP，無需考慮仿真細(xì)節(jié)，卻可掌握產(chǎn)品性能。本案例詳細(xì)介紹了采用Simdroid進(jìn)行銷釘水冷壁熱仿真和無代碼化APP封裝的流程，供用戶參考。1、結(jié)構(gòu)介紹如下圖所示，銷釘水冷壁結(jié)構(gòu)由水冷壁管、扁鋼、圓柱形銷釘、SiC耐火材料組成。圖1

銷釘水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖在工程中，不同的熱負(fù)荷工況，對(duì)銷釘水冷壁的冷卻性能有不同的要求。水冷壁管、扁鋼、銷釘以及耐火材料的耐熱性能也決定這個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸。在進(jìn)行銷釘水冷壁設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)其進(jìn)行溫度場分析，可保證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在相應(yīng)的熱負(fù)荷下既滿足換熱性能需要，也滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求。2、參數(shù)定義要在設(shè)計(jì)中快速確定銷釘水冷壁結(jié)構(gòu)是否滿足換熱性能及安全性要求，可通過參數(shù)化仿真分析來實(shí)現(xiàn)。要進(jìn)行參數(shù)化分析，首先要定義好需要關(guān)注的參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)尺寸、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分尺寸、載荷等參數(shù)。同時(shí)，參數(shù)之間還可以通過表達(dá)式來定義相互關(guān)系。圖2

Simdroid參數(shù)定義界面3、幾何建模Simdroid提供了常用的幾何建模工具，能夠?qū)崿F(xiàn)各種三維模型的構(gòu)建。本案例通過先建立草圖，然后進(jìn)行拉伸、陣列、布爾運(yùn)算（差集、并集等），實(shí)現(xiàn)銷釘水冷壁結(jié)構(gòu)的幾何模型創(chuàng)建。在進(jìn)行幾何模型創(chuàng)建過程中，相應(yīng)的尺寸（如管子直徑、管子壁厚、銷釘長度、銷釘直徑、扁鋼厚度、耐火層厚度、管子節(jié)距等）均可以選擇之前定義好的參數(shù)進(jìn)行約束。圖3

草圖中利用參數(shù)定義幾何尺寸圖4

銷釘水冷壁三維模型4、網(wǎng)格劃分Simdroid提供了完善的網(wǎng)格剖分功能，支持用戶采用不同的剖分方式進(jìn)行網(wǎng)格剖分：提供掃掠、映射等多種剖分方式，支持體、面、邊等尺寸控制。本案例中，管子、扁鋼、銷釘均采用掃掠剖分，耐火層選擇四面體剖分。圖5

釘水冷壁網(wǎng)格模型5、求解設(shè)置求解設(shè)置包括賦予材料屬性，設(shè)置不同體之間的連接關(guān)系、初始條件、求解控制、輸出控制，施加邊界條件等。圖6

材料賦值及接觸設(shè)置對(duì)于熱分析，接觸熱阻也是影響計(jì)算結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵因素。Simdroid提供接觸熱阻設(shè)置菜單，并可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，方便工程師考察不同熱阻的影響。銷釘水冷壁的邊界條件為：1）耐火層表面施加熱流密度；2）管子內(nèi)壁施加對(duì)流換熱邊界；3）未敷設(shè)耐火層一側(cè)施加對(duì)流換熱邊界。圖7

邊界條件示意圖8

分析設(shè)置界面分析設(shè)置完成后，提交計(jì)算。6、結(jié)果后處理Simdroid提供了豐富的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能。本案例中，可以通過云圖查看指定物體結(jié)構(gòu)部位的溫度分布、熱流等數(shù)據(jù)。圖9

管子、銷釘、扁鋼溫度分布云圖圖10

整體溫度分布云圖圖11

切片顯示某一剖面的溫度7、仿真流程封裝通常，仿真流程的封裝是一個(gè)技術(shù)門檻較高的工作，需要工程師既懂仿真，又懂軟件開發(fā)，一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)仿真流程封裝往往需要多個(gè)專業(yè)的工程師花費(fèi)數(shù)天甚至數(shù)月的時(shí)間。如果能將仿真過程中的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)封裝，形成便捷的菜單、按鈕、對(duì)話框等工具，工程師只需要在軟件界面上選擇合適的工具進(jìn)行組合，就能便捷地對(duì)仿真流程進(jìn)行封裝，那必將大大降低仿真流程封裝的技術(shù)門檻，提高封裝效率。Simdroid平臺(tái)就是基于這一想法，對(duì)仿真流程中涉及到的過程進(jìn)行了預(yù)封裝，將仿真流程中的所有環(huán)節(jié)開發(fā)成相應(yīng)的便捷化菜單、按鈕、對(duì)話框等封裝工具。工程師使用Simdroid完成仿真流程后，通過平臺(tái)自帶的APP開發(fā)器，基于界面上的各種快捷工具，采用“拖、拉、拽”的方式即可快速封裝仿真流程。圖12

Simdroid仿真APP開發(fā)界面利用Simdroid，作者只花費(fèi)了10余分鐘的時(shí)間，就完成了對(duì)銷釘水冷壁溫度場仿真流程的封裝。APP界面如下圖所示。圖13

銷釘水冷壁熱仿真APP-管子溫度場分布圖14

銷釘水冷壁熱仿真APP-銷釘溫度場分布圖15

銷釘水冷壁熱仿真APP-耐火層溫度場分布利用Simdroid平臺(tái)封裝好的仿真APP，可以導(dǎo)出為*.APP格式的文件存放到本地，供Simdroid讀取使用。還可以通過編譯方式，將仿真過程中使用到的軟件功能進(jìn)行輕量化打包，形成*.exe格式的文件，該可執(zhí)行文件可以脫離Simdroid平臺(tái)在任意電腦端獨(dú)立使用，用戶無需安裝Simdroid軟件。更為便捷的是，封裝好的仿真APP還可以上傳到工業(yè)仿真APP商店Simapps平臺(tái)，云原生部署與在線應(yīng)用。用戶可以零門檻低成本、跨平臺(tái)跨終端隨時(shí)隨地云平臺(tái)用仿真。歡迎在線體驗(yàn)本案例仿真APP，訪問Simapps。8、結(jié)語利用自主通用多物理場仿真PaaS平臺(tái)Simdroid（中文名“伏圖”），通過參數(shù)化建模的方法，對(duì)銷釘水冷壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模及熱分析。基于Simdroid提供的無代碼化仿真APP開發(fā)功能，對(duì)仿真流程進(jìn)行封裝，形成了參數(shù)化仿真APP。通過該APP，可以方便地進(jìn)行銷釘水冷壁參數(shù)化熱分析，用戶只需要通過APP界面調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，就可以自動(dòng)完成仿真流程，大大提高了仿真的效率和準(zhǔn)確性。利用APP的參數(shù)化仿真功能，可方便地考察結(jié)構(gòu)尺寸、材料、溫度邊界等參數(shù)對(duì)溫度場分布的影響，有助于銷釘水冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高其性能和可靠性。同時(shí)，Simapps平臺(tái)支持企業(yè)產(chǎn)商將仿真APP的在線計(jì)算界面內(nèi)嵌到官方網(wǎng)站產(chǎn)品宣