介紹了風(fēng)洞熱風(fēng)閥在風(fēng)洞系統(tǒng)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)洞閥門的物理及數(shù)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、溫度場及其應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行了耦合計(jì)算。給出了閥內(nèi)空氣最大流速、閥座表面平均溫度、閥體局部點(diǎn)最大應(yīng)力的計(jì)算過程和結(jié)果及其閥體加工時(shí)所采用的工藝規(guī)則。

1、概述

　　風(fēng)洞設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)是國防尖端科技的基礎(chǔ)，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(chǔ)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。當(dāng)風(fēng)洞儲(chǔ)能裝置內(nèi)空氣壓力和溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，風(fēng)洞閥快速開啟，并在閥后的拉伐爾噴管內(nèi)形成高超聲速氣流，以此沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)過程中，高溫高壓空氣流經(jīng)閥體，閥體承受著高壓及溫差應(yīng)力的作用，對閥體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)關(guān)系著風(fēng)洞系統(tǒng)的安全性。

　　傳統(tǒng)的高參數(shù)閥門多采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)公式法涉及到的變量較少，很難對閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量優(yōu)化。數(shù)值計(jì)算法可對閥門的流態(tài)、熱態(tài)、應(yīng)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(jié)構(gòu)，但涉及到的流固熱多物理場耦合如何實(shí)現(xiàn)還有待探究。

2、多物理場耦合數(shù)學(xué)模型

　　熱風(fēng)閥主體結(jié)構(gòu)為鋼材，為了隔熱在閥體內(nèi)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。

　　分析閥體受熱過程可知，閥內(nèi)流動(dòng)的是潔凈的高溫空氣，可不考慮氣體向閥體內(nèi)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(dǎo)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(nèi)空氣流速不同，導(dǎo)致閥體各部位換熱程度不同，從而引起溫差應(yīng)力。因而閥體的安全性問題是流動(dòng)、傳熱及應(yīng)力等物理場耦合的結(jié)果。準(zhǔn)確計(jì)算流動(dòng)狀態(tài)及合理處理邊界層傳熱是關(guān)鍵。

4、計(jì)算結(jié)果分析

4.1、流場及溫度場分布

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

圖2 穩(wěn)態(tài)下閥體內(nèi)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(xiàn)在閥體的拐角處，此處的高溫區(qū)與流場的高速區(qū)相對應(yīng)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于流體的正面沖擊邊界層厚度減薄，閥內(nèi)壁換熱增強(qiáng)，繼而引起閥外壁溫度跟著升高。

圖3 閥體外表面溫度場分布

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(qū)域出現(xiàn)了2個(gè)高溫點(diǎn)( 圖6) ，這個(gè)小區(qū)域溫度與周邊溫度相差很大，即在這一區(qū)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(xiàn)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(dǎo)率很小，在保溫層內(nèi)表面的溫度很高( 接近900℃) ，與保溫層相接觸的流體邊界層內(nèi)的溫度也很高，這部分高溫空氣與鋼材相接觸時(shí)，導(dǎo)致鋼材的溫度也升高。隨著流體繼續(xù)向前流動(dòng)，鋼材帶走了邊界層內(nèi)的熱量，邊界層內(nèi)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(dǎo)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(jì)算結(jié)果也提示我們，在設(shè)計(jì)流道時(shí)應(yīng)盡量避免流道內(nèi)凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)，盡可能使邊界層穩(wěn)定，以提高邊界層的隔熱作用。

4.2、應(yīng)力與變形分析

　　將溫度場各點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入閥體結(jié)構(gòu)單元中，對閥體進(jìn)行應(yīng)力分析，得到閥體等效分布如圖7 所示。閥體上最大等效應(yīng)力為284.67MPa，分布在閥體內(nèi)部凸臺(tái)上側(cè)。將應(yīng)力最大點(diǎn)的分布位置局部放大( 圖8) ，可見閥體的高應(yīng)力分布區(qū)域很小，這是由于溫差和結(jié)構(gòu)突變的共同作用導(dǎo)致該位置的應(yīng)力值突增，如果將該位置的銳角倒鈍，則該處的應(yīng)力集中情況將會(huì)大幅改善。

圖5 穩(wěn)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(yīng)力分布

圖8 閥體最大等效應(yīng)力分布位置

　　閥體外壁等效應(yīng)力分布如圖9 所示，外壁平面的中間位置等效應(yīng)力相對較大，可達(dá)105.02MPa。最小等效應(yīng)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(yīng)力分布

圖10 閥體總變形分布

5、結(jié)語

　　(1) 建立了用于閥體流場、溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場的物理數(shù)學(xué)模型，并將有限容積法與有限元法有效結(jié)合在一起，求解了風(fēng)洞閥內(nèi)流體與固體區(qū)域的各物理場分布。

　　(2) 流場與溫度場計(jì)算表明，閥體外表溫度小于75℃，閥座表面平均溫度110℃，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但設(shè)計(jì)中應(yīng)注意流體通道的光滑，避免突臺(tái)等不規(guī)則的結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(yīng)力與應(yīng)變均不大，但由于結(jié)構(gòu)突變在局部點(diǎn)有較高的應(yīng)力值。對于這類小區(qū)域，尖角引起的應(yīng)力集中問題，可在閥體加工時(shí)采用銳角倒鈍的工藝措施。