[发明专利]一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法

权利要求书

1.一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤：

(1)对工程使用中的换热器模型进行简化，借助三维建模软件SOLIDWORKS对换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作，分别对流体计算域和换热器固体结构计算域在相同坐标空间中进行几何建模，建立换热管束充液状态流固耦合模型，分别将流体计算域和换热器固体结构计算域模型导出并保存为.x_t格式文件；

(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到ANSYS WORKBENCH软件中，在EngineerData项中根据实际工程的材料特性，定义换热器结构所用材料的属性；

(3)将步骤(2)建立的流体计算域模型和换热器固体结构计算域模型传递到网格划分的Mesh模块中，在Mesh模块中对三维仿真模型进行网格划分，为了保证流场计算结果的准确性，对靠近管束壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.4，为了便于后期设置计算条件，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称；

(4)将步骤(3)中网格划分好的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的CFX计算模块、Static-structural和Modal计算模块，在CFX模块中Domain选项中设置传热模型与湍流模型，计算介质Material设定为导热油，在Boundary Details选项中设置进口速度值，出口压力值，以及壁面条件；

(5)在WORKBENCH软件中的CFX计算模块进行仿真运算得到导热油温度与压力分布特性，将此结果传递到在Modal模块的Pre-Stress选项中，以此作为进行模态分析的预应力条件；同时在Static-structural模块通过Insert加载重力加速度、固定约束和位移约束；

(6)在ANSYS WORKBENCH软件中，在Modal模块中Analysis Settings选项下输入求解设置，设置频率提取阶数和求解频率范围；

(7)计算结束后在Solution选项中提取步骤(6)的各阶频率及振型结果，作为换热器生产过程中固有频率的控制，分析浸没介质参数对换热器结构模态特性的影响，对结构进行优化设计，防止结构共振的动力学依据。

2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法，其特征在于：步骤(1)中三维建模软件SOLIDWORKS对换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作时设定的参数包括：壳程、换热管及折流板的几何形状和几何尺寸参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法，其特征在于：步骤(2)中，对在Engineer Data项进行设置的定义换热器结构所用材料的属性包括有弹性模量、密度及泊松比。

4.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法，其特征在于：步骤(4)中，对在CFX计算模块进行设置的过程如下：

(4.1)、在Material选项根据导热油物理参数编制新材料特性，设置的参数包括：密度、摩尔质量、比热容、导热系数及动力粘度；

(4.2)、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn根据要求设定为预设值9.81m²/s，X和Z方向设置为0m²/s，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；

(4.3)、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon模型；

(4.4)、在Material Library选项部分选择新建立的材料导热油；

(4.5)、在Boundary选项中设置入口边界条件为Normal Speed，设置出口边界条件为Static Pressure，管程与壳程壁面设置为对流换热面，对流换热系数根据实际计算值设置，其他壁面设置为绝热光滑壁面；

(4.6)、选择Define Run后进行计算。