風(fēng)洞用高參數熱風(fēng)閥多物理場(chǎng)耦合數值分析

　　介紹了風(fēng)洞熱風(fēng)閥在風(fēng)洞系統中承受高溫及高壓的工況條件及其相關(guān)的技術(shù)要求。建立和描述了風(fēng)洞閥門(mén)的物理及數學(xué)模型，確定了模型的邊界條件。分別采用有限容積法及有限元法對風(fēng)洞閥的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及其應力應變場(chǎng)進(jìn)行了耦合計算。給出了閥內空氣最大流速、閥座表面平均溫度、閥體局部點(diǎn)最大應力的計算過(guò)程和結果及其閥體加工時(shí)所采用的工藝規則。

1、概述

　　風(fēng)洞設備及其相關(guān)的設計制造技術(shù)是國防尖端科技的基礎，也是世界各國國防工業(yè)的核心技術(shù)。風(fēng)洞熱風(fēng)閥安裝在風(fēng)洞儲能裝置加熱室的出口，是一種可承受高溫、高壓的截止性質(zhì)的閥門(mén)。當風(fēng)洞儲能裝置內空氣壓力和溫度達到一定數值時(shí)，風(fēng)洞閥快速開(kāi)啟，并在閥后的拉伐爾噴管內形成高超聲速氣流，以此沖擊發(fā)動(dòng)機進(jìn)行實(shí)驗。在風(fēng)洞實(shí)驗過(guò)程中，高溫高壓空氣流經(jīng)閥體，閥體承受著(zhù)高壓及溫差應力的作用，對閥體結構的合理設計關(guān)系著(zhù)風(fēng)洞系統的安全性。

　　傳統的高參數閥門(mén)多采用經(jīng)驗公式法進(jìn)行設計，由于經(jīng)驗公式法涉及到的變量較少，很難對閥體結構進(jìn)行定量?jì)?yōu)化。數值計算法可對閥門(mén)的流態(tài)、熱態(tài)、應力態(tài)等多種狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，從而得到優(yōu)化的結構，但涉及到的流固熱多物理場(chǎng)耦合如何實(shí)現還有待探究。

2、多物理場(chǎng)耦合數學(xué)模型

　　熱風(fēng)閥主體結構為鋼材，為了隔熱在閥體內壁襯有隔熱材料。閥座密封面處采用熱噴涂工藝，基材為閥體用鋼材，用水冷方式降低閥座溫度。

　　分析閥體受熱過(guò)程可知，閥內流動(dòng)的是潔凈的高溫空氣，可不考慮氣體向閥體內壁的熱輻射。高溫空氣以對流形式，將熱量傳遞給隔熱材料，隔熱材料和閥體以熱傳導的形式將熱量傳至閥體表面，最終以對流方式將熱量傳給環(huán)境大氣。由于熱風(fēng)閥閥體內空氣流速不同，導致閥體各部位換熱程度不同，從而引起溫差應力。因而閥體的安全性問(wèn)題是流動(dòng)、傳熱及應力等物理場(chǎng)耦合的結果。準確計算流動(dòng)狀態(tài)及合理處理邊界層傳熱是關(guān)鍵。

4、計算結果分析

4.1、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布

　　圖2 給出了閥體內流場(chǎng)分布的狀態(tài)圖，圖中可以看出，空氣在閥腔內速度分布并不均勻，最大流速達到9.5m /s，最大流速出現在拐角流線(xiàn)發(fā)生急變處。

圖2 穩態(tài)下閥體內流速分布

　　圖3 與圖4 分別給出了閥體表面及閥中截面的溫度分布，從閥體表面溫度分布圖中可看出閥表面溫度分布是不均勻的，最高溫度為71.6℃，出現在閥體的拐角處，此處的高溫區與流場(chǎng)的高速區相對應，產(chǎn)生這一現象的原因在于流體的正面沖擊邊界層厚度減薄，閥內壁換熱增強，繼而引起閥外壁溫度跟著(zhù)升高。

圖3 閥體外表面溫度場(chǎng)分布

圖4 閥體中截面溫度分布

　　圖5 給出了閥座水冷處的局部溫度分布圖，在密封面處平均溫度約為110℃，但在這一區域出現了2個(gè)高溫點(diǎn)( 圖6) ，這個(gè)小區域溫度與周邊溫度相差很大，即在這一區域有很大的溫度梯度。這2 個(gè)高溫點(diǎn)均位于保溫材料、鋼材、高溫流體相接觸的位置。產(chǎn)生這一現象的原因在于，空氣在流動(dòng)時(shí)先流經(jīng)保溫層，由于保溫材料熱導率很小，在保溫層內表面的溫度很高( 接近900℃) ，與保溫層相接觸的流體邊界層內的溫度也很高，這部分高溫空氣與鋼材相接觸時(shí)，導致鋼材的溫度也升高。隨著(zhù)流體繼續向前流動(dòng)，鋼材帶走了邊界層內的熱量，邊界層內流體溫度快速下降，鋼材的溫度也快速下降，由于空氣的比熱很小，而且熱導率也很小，因而在這點(diǎn)溫度較高，且產(chǎn)生很大溫度梯度。這一計算結果也提示我們，在設計流道時(shí)應盡量避免流道內凸臺等結構，盡可能使邊界層穩定，以提高邊界層的隔熱作用。

4.2、應力與變形分析

　　將溫度場(chǎng)各點(diǎn)數據導入閥體結構單元中，對閥體進(jìn)行應力分析，得到閥體等效分布如圖7 所示。閥體上最大等效應力為284.67MPa，分布在閥體內部凸臺上側。將應力最大點(diǎn)的分布位置局部放大( 圖8) ，可見(jiàn)閥體的高應力分布區域很小，這是由于溫差和結構突變的共同作用導致該位置的應力值突增，如果將該位置的銳角倒鈍，則該處的應力集中情況將會(huì )大幅改善。

圖5 穩態(tài)下閥體水冷面溫度分布

圖6 高溫點(diǎn)產(chǎn)生位置

圖7 閥體等效應力分布

圖8 閥體最大等效應力分布位置

　　閥體外壁等效應力分布如圖9 所示，外壁平面的中間位置等效應力相對較大，可達105.02MPa。最小等效應力分布在閥體下角，其值為1.028MPa。閥體總變形如圖10 所示，最大總變形量為0.5mm，位于閥體下方直邊棱處，最小總變形量為0.03mm，位于上端法蘭端面處。

圖9 閥體外壁等效應力分布

圖10 閥體總變形分布

5、結語(yǔ)

　　(1) 建立了用于閥體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應力應變場(chǎng)的物理數學(xué)模型，并將有限容積法與有限元法有效結合在一起，求解了風(fēng)洞閥內流體與固體區域的各物理場(chǎng)分布。

　　(2) 流場(chǎng)與溫度場(chǎng)計算表明，閥體外表溫度小于75℃，閥座表面平均溫度110℃，能夠達到設計要求。但設計中應注意流體通道的光滑，避免突臺等不規則的結構導致邊界層破壞引起局部高溫。

　　(3) 由于隔熱材料起到了作用，閥體總體的應力與應變均不大，但由于結構突變在局部點(diǎn)有較高的應力值。對于這類(lèi)小區域，尖角引起的應力集中問(wèn)題，可在閥體加工時(shí)采用銳角倒鈍的工藝措施。