超低温阀门的办公温度极低（77K），因为这个在预设这类阀门时，除开应遵循普通阀门的预设原则外，还有一点特别的要求。那里面关紧的一点儿就是要求阀门的结构保障填料处于0℃以上的温度背景下办公，例如认为合适而使用长颈阀盖结构，使填料函离低温媒介尽力远些，起到尽力照顾填料函的功能。

  填料函的严密封闭性是低温阀的关键之一。该处如有泄露，将导致填料与阀杆处上冻，影响阀杆的正常操作，同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤，引动严重泄露。

  一种新式阀门的研发从预设、制造、加工装配不止需求耗费数量多的人的劳力、物力以及资力，有时候，预设出的新式阀门不可以保障预先期待的性能指标，因为这个近年来，阀门的虚拟预设与仿真是阀门预设的一种关紧的形式，可对产品的性能给出开始阶段的的名声，浙江大学的金滔 ，中国科学校等离子体物理研讨所的丁小东作别对低温截至阀和低温调节阀施行了低温尝试下的动态剖析和稳态剖析，提出了经过在氮气背景里添加矿棉保暖材料来增长填料函的温度。本文认为合适而使用ANSYS有限元剖析软件作为建模和剖析平台对通径为DN15的LNG船用超低球阀门施行热能功剖析，因此分辨断定所预设的阀门第阀阅颈长度是否合理，况且研讨了却构因素对填料函温度的影响。

  1 板型

  1.1 板型的树立和有限元网格区分清楚

  预设的超低温阀门为DN15超低温球阀。超低温球阀所用的主体材料为316L奥氏体不锈钢，低温媒介为1MPa的液氮，表1，表2作别为不锈钢材料以及氮的物性参变量随温度的变动。因为阀门呈核心面临称，因为这个取其对称的二分之一施行建模，认为合适而使用热剖析单元SOLID87施行网格区分清楚。图1，图2为DN15超低温球阀开启和关闭时简化后的板型。

  表1 不锈钢物性参变量

  表2 氮的物性参变量（1MPa）

  图1 开启状况时的网格区分清楚

  1.阀颈 2.阀杆 3.阀体

  图2 关闭状况时的网格

  1.2 算术板型

  因为材料的物性是随温度变动的，且思索问题到辐射导热，因为这个该热剖析归属非线性热剖析。

  阀门在管路中敞开以及关闭摹拟的是稳态剖析，因为这个稳态热剖析的扼制方程为：

  相应的稳态非线性均衡方程为：

  方程可以等效为：

  式中：

  ［Qnr］为内里节点暖流向量，由计算单元暖流得出，［Qa］为负荷引动的节点暖流向量。

  起初条件下，内里节点暖流不等给予的节点负荷。不公平衡暖流向量是两个向量的差值：

  求解过程中运用牛顿－拉夫森办法，具体步骤如下所述：

  （1）求解系统方程的增量方式

  （2）更新节点温度。

  （3）由单元暖流计算内里节点暖流效率。

  （4）计算收敛最后结果与收敛准侧比较。

  （5）迭代。

  2 管路开启与关闭工况下的稳态温度计算

  2.1 边界条件

  阀门外外表按对流换热条件和辐射换热条件设定，阀门外背景温度为298K，对流换热系数取10［W/（m2?K）］。Stenfan-Bolzman常数为5.6710－8。对称面取绝热边界条件。因为阀门办公温度很低，牢稳时，阀门流道里外表温度靠近媒介温度，阀门流道里外表温度设定为77K。

  2.2 论断剖析

  在管路中阀门开启与关闭时，阀颈的长度要求能够满意填料函不冻结的要求，在设定的边界条件下经过变更阀颈的长度获得与之相对应的填料函底部温度。图3是超低温球阀在管路中开启状态下的温度散布，填料函底部的温度为274.59K，图4是超低温球阀在管路中关闭状态下的温度散布，填料函底部的温度为275.89K。

  图3 开启状况时的温度散布图

  图4 关闭状况时的温度散布

  3 超低温阀门结构尺寸对填料函底部温度的影响

  超低温阀门在运用过程中，阀门通道内处于冷端温度下（77K），阀体外外表与背景空气施行天然对流换热，冷量一小批从径向传交到外部背景中，一小批轴向传交到阀杆的顶部。因为阀门各零件的接触没可能达到绝对严密封闭，阀门流道里有一小局部的媒介会液体变气体，要得阀杆与阀体空隙处饱含了气体，阀杆与阀体内壁缠绵在温差，不止萌生热辐射，也有可能造成空隙内的气体萌生天然对流，加强了径向的卡路里传交。再者，阀颈厚度的变更，也会填料函底部的温度萌生影响。因 为这个在超低温阀门的预设过程中要思索问题阀颈厚度和阀颈与阀杆之间的空隙对超低温阀门温度场的影响。

  3.1 阀杆与阀颈空隙尺寸对填料函底部温度的影响

  3.1.1 流场剖析

  本板型将阀颈与阀杆之间的内里当做是竖直闭合夹层的天然对流换热，夹层内流体的流动，主要决定于于以夹层厚度为特点标志长度的Gr数。

  当Gr极低时换热有赖纯热传导。随着Gr的增长，会顺次显露出来向层流特点标志过度的流动（环流）、层流特点标志的流动、湍流特点标志的流动。

  定性温度为：

  在竖直夹层，经过夹层的换卡路里应是热传导和辐射换热两者之和。当Gr≤2860时，夹层中通过气体媒介的卡路里传交主要为纯热传导和辐射换热两者之和，在夹层中气体媒介卡路里传交处于纯热传导状况时，因为气体的热传导热阻非常大，其卡路里传交量较小，当夹层壁面间温差较钟头，辐射传卡路里也小，传卡路里可以疏忽；当夹层壁面间温差稍大，所引动的辐射换热增加，辐射传卡路里就不可以疏忽。当Gr>2860时，夹层中通过气体媒介的卡路里传交就不是热辐射加纯热传导过程，会显露出来天然对流，纯热传导就变更为对流换热，热传交量大大增加。利用上面所说的公式理论计算出，在尺寸预设范围内，Gr≤2860，因为这个，夹层中通过气体媒介的卡路里传交主要为纯热传导和辐射换热两者之和。

  3.1.2温度场剖析

  当阀颈厚度，阀颈长度未变时，图3，图5，图6作别是阀杆与阀颈之间的空隙有1mm，3mm，5mm的阀门温度散布图。

  图5 空隙为3mm时的温度散布

  图6 空隙为5mm时的温度散布

  从图中最后结果可以看出，当阀杆与阀颈之间的空隙尺寸变厚时，填料函底部的温度减低，温度作别为274.59K，273.84K，272.52K，不过数字变动细小。图7所示为阀杆与阀颈空隙对填料函底部的温度的影响。

  图7 阀杆与阀颈空隙对填料函底部的温度的影响

  摹拟最后结果表明，当空隙内经过气体的换热处于纯热传导不锈钢阀门加辐射导热时，因为氮气的热传导系数小，在经过空隙的导热过程中，热传导所占传卡路里的份额细小，同时因为阀杆与阀颈空隙尺寸度较小，摹拟取值的氮气隙对群体阀门的温度散布影响细小。因为这个在施行超低温阀门的预设时，阀杆与阀颈间空隙在尺寸预设值范围内，空隙尺寸对填料函底部温度的影响可以疏忽不计较。

  3.2 阀颈的厚度对填料函底部温度的影响

  当阀颈与阀杆之间的空隙厚度和阀颈长度未变时，图3，图8，图9作别是阀颈的厚度有4mm，6mm，8mm的阀门温度散布图，从图中最后结果可以看出，当阀颈厚度变厚时，填料函底部的温度表面化减低，温度作别为274.59K，263.32K，259.35K。图10所示为阀颈厚度对填料函底部的温度的影响。

  图8 阀颈颈部厚度为6mm时的温度散布

  图9 阀颈颈部厚度为8mm时的温度散布

  图10 阀颈厚度对填料函底部的温度的影响

  摹拟最后结果表明，当阀颈与阀杆之间的空隙厚度和阀颈长度未变时，随阀颈厚度增加，填料函处的温度有较表面化减退。图10为阀颈厚度对填料函的温度的影响。摹拟揭示了长颈阀盖阀颈厚度是影响填料函底部温度的关紧因素之一，施行小口径的超低温阀门的预设时，在满意强度的前提下尽有可能减小阀颈的厚度。

  4 论断

  使用有限元剖析软件ANSYS对DN15船用LNG超低温球阀施行了开启和关闭状况下的建模和有限元剖析。得出了这两种办公状况下的稳态温度场散布。

  （1）预设的DN15船用超低温球阀的尺寸，在超低温球阀开启和关闭状况下，均能满意填料函底部不冻结现象。

  （2）在施行DN15船用超低温阀门的预设时，当阀颈长度未变时在保障阀门强度的条件下可减损阀颈的厚度，增长填料函底部的温度。

  （3）对于DN15船用超低温球阀，阀颈的厚度是影响填料函底部温度的关紧影响因素，随着阀颈尺寸变厚，填料函底部的温度表面化减退。阀颈与阀杆之间的空隙对填料函底部的温度影响细小。