摘 要

随着LNG在世界范围内的广泛应用，LNG应用技术以及技术装备引起了行业领域中技术人员研究热潮。低温阀门作为LNG用技术装备中不可或缺的部分也是研究中的一项。而阀门结构性能又作为考核阀门质量优劣的主要指标之一更是成为了研究的重点。本文采用有限元法对某型号止回阀在-163℃和-196℃进行温度场分析以及热分析基础上的结构分析问题进行深入的研究，为阀门结构性能研究提供理论依据。

首先，基于阀门图纸进行结构分析，了解截止阀工作原理。然后使用 Pro/E

建立截止阀的三维实体模型，使用 ANSYS 软件对阀体模型进行应力分析，并对阀门在两种工况下的温度分布进行有限元分析。接着提取出流体域，对流体域进行简化，运用 ANSYS CFX 对截止阀在全开情况下的流场进行了数值模拟及分析。最后，综合分析两种物理场对截止阀的影响并加以总结。结果表明，在各工况下的 最大应力值均小于应力限值，产生的位移变量极小，阀门的强度符合要求。

关键词：LNG；截止阀门；有限元法；温度场分析；热耦合分析；流场分析

LNG tanker cryogenic valve multi field coupling analysis

ABSTRACT

With the wide application of LNG worldwide, LNG application technology and technical equipment cause the boom industry technical personnel in the field of research. As LNG cryogenic valves with an integral part of the technology and equipment is also in the study of a. And valve structure performance as the main indicator of evaluation quality valve but also became the focus of research. Of a type of check valve is based on the finite element method (fem) in -163 ℃ and -196 ℃ temperature field analysis and thermal analysis based on the structure analysis of in-depth study, provide theoretical basis for the research of the valve structure performance.

First of all, based on the valve drawings for structural analysis, understanding the working principle of the Stop valve.Then,using Pro/E software to establish three-dimensional solid model of the stop valve and using ANSYS software for stress analysis of the model.In addition, finite element analysis is also for temperature distribution of the vales in both conditions.Then,extracting the fluid domain model and simplifying the model,using ANSYS CFX to numerically simulate and analysize stop valve flow field under the condition of the fully open valve.Finally,comprehensively analysize the influence of two physical fields on the stop valve and summize.The results show that under various operating conditions on the maximum stress values are less than the stress limit values,the resulting displacement variable is tiny, the strength of the valve meets the requirements.

Keywords: LNG; Stop Valve；Finite Element Method；Temperature Field Analysis；Thermal coupling analysis；Flow Field Analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 阀门简介 2

1.3 国内外相关研究现状 3

1.3.1 国外深冷截止阀分析的发展状况 3

1.3.2 我国深冷截止阀分析现状 4

1.4 本文主要研究内容 5

1.5 本章小结 6

2 截止阀的三维建模 7

2.1 引言 7

2.2 建模前期准备 7

2.2.1截止阀工作原理及特点 7

2.3 截止阀零件三维模型的建立 9

2.4 本章小结 11

3 对深冷截止阀的应力分析 12

3.1 引言 12

3.2 有限元法的介绍 12

3.3 基于 ANSYS Workbench 对截止阀的有限元分析 13

3.3.1 ANSYS 软件简介 13

3.3.2 ANSYS Workbench 概述 13

3.4 阀体在组合载荷下的应力分析 14

3.5 本章小结 18

4 对深冷截止阀的温度场分析 19

4.1 引言 19

4.2 ANSYS 温度场分析方法理论 19

4.3 基于 ANSYS Workbench 对截止阀的温度场分析 19

4.3.1 截止阀的已知条件 19

4.3.2 单元定义与网格划分 19

4.3.3 截止阀的温度场分析过程 21

4.3.4 结果讨论 23

4.4 本章小结 26

5 对深冷截止阀的流场分析 27

5.1 引言 27

5.2有限元模型及理论 27

5.2.1有限元模型的研究 27

5.2.2有限元理论 28

5.3 流体分析基本理论及数值模拟方法 28

5.3.1截止阀的流体分析的基本理论 28

5.4基于 ANSYS 对深冷截止阀流体域的有限元分析 29

5.4.1 ANSYS CFX软件简介 29

5.4.2 截止阀流体域三维模型的提取 30

5.5 求解流体域有限元模型 32

5.6 对截止阀全开情况下求解及分析 37

5.6.1 CFX-Solver 求解 37

5.6.2 CFX后处理分析 38

5.7本章小结 42

6 基于 ANSYS 截止阀的热耦合分析 43

6.1 引言 43

6.2 热耦合的概述 43

6.2.1 热耦合的简介 43

6.2.2 热耦合形式 43

6.3 应力分析过程 44

6.3.1 已知条件 44

6.3.2 单元定义与网格划 44

6.3.3 加载受力与约束条件 45

6.3.4 结果讨论 46

6.4 本章小结 49

7 总结与展望 51

7.1总结 51

7.2 展望 52

致 谢 54

参考文献 54

1 绪论

1.1 研究背景及意义

我国的能源安全、优化能源结构、支持国民经济可持续发展等多方面的迫切需要出发，天然气特别是液化天然气已经成为生产生活中最不可或缺的优质清洁能源。当前，我国正处于经济飞速上升时期,作为主要能源之一的煤炭对环境造成的负面影响日益明显,雾霾天气持续出现，国际石油价格也呈不断攀高之势，我国能源危机愈发严重。能源紧缺及环境污染逼迫人们不得不放慢发展的脚步，寻求经济与环境共赢的途径。液化天然气（LNG）为一种新兴的清洁、节能能源，一般由气田中开采出来的，需要在常压下进行随着我国国民经济的持续快速发展，对我国能源行业提出了非常紧迫的要求^[1]。一般的钢材在低温时随温度的下降，其抗拉强度和硬度增高，塑性和韧性急剧下降，发生由韧到脆的转变，影响材料的强度和使用寿命，甚至出现脆性断裂造成灾难性重大事故。阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一，故在低温阀门设计时要求其各密封部位在低温状态下也能具有合理的密封比压，以保证密封部件不损伤而又能有良好的紧密度，以阻止介质泄漏。预计到 2025 年，天然气将成为世界第一大能源^[2]。

为了便于天然气储存和运输，人们将天然气在-162.5°C的温度下压缩成液化天然气(LNG)^[3]。LNG 作为天然气的重要存在形式，因此，LNG 具有天然气的易燃易爆性。但 LNG 在经济上凸显出天然气所没有的优势，LNG 节省储存空间和运输空间，降低储运的成本。随着天然气的液化、运输及应用技术的不断提升，其需求量猛增已成为全球性趋势^[4]。我国天然气资源虽丰富，但主要分布在沿海及西部地区，以目前我国的开发及采集水平难以满足国家经济快速发展的需求，仍需增加国际 LNG 的贸易量^[5-8]。