高溫防護(hù)涂層對燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流場影響的模擬研究

曹　奔，黃貞益，牛亞然，謝玲玲，鄭學(xué)斌

(1.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00050；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山　243002)

?

高溫防護(hù)涂層對燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流場影響的模擬研究

曹奔1,2，黃貞益2，牛亞然1，謝玲玲1,2，鄭學(xué)斌1

(1.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200050；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002)

摘 要:采用流體計(jì)算軟件Fluent研究了等離子體噴涂不同厚度的ZrO2涂層和W涂層對燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流壓力場和速度場的影響。結(jié)果表明,燃?xì)舛媲熬墳榧げㄗ顝?qiáng)烈位置,此處壓力值達(dá)到最大,但速度值降至最低。燃?xì)饬魇苋細(xì)舛嫘螤畹臄_動在其前緣邊緣和后緣處形成膨脹波,壓力大幅突降,速度顯著增大。為了提高燃?xì)舛娴挚辜げ芰?需增加ZrO2涂層和W涂層厚度,但膨脹波強(qiáng)度有所增強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果對探究添加等離子體噴涂涂層后燃?xì)舛娴姆雷o(hù)有一定意義。

關(guān)鍵詞:燃?xì)舛?等離子體噴涂;繞流場;數(shù)值計(jì)算

0引言

燃?xì)舛嫦到y(tǒng)是工作于高溫(1 600～2 400 K)、超聲速(馬赫數(shù)為2～4)[1]導(dǎo)彈燃?xì)鈬娏髦械奶厥庖?，廣泛用于空空導(dǎo)彈和垂直發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行推力矢量控制[2]。為了使燃?xì)舛娌恢劣谠谌細(xì)饬鳑_擊下變形和破壞，其表面可添加等離子體噴涂高溫防護(hù)涂層以提高其抗燒蝕和耐沖刷能力。但添加涂層后使得燃?xì)舛娓浇鲌龅牧鲃蛹?xì)節(jié)也隨之發(fā)生改變，為了更好地了解流場中燃?xì)舛娴男袨?，對燃?xì)舛娓浇鲌龅奶匦赃M(jìn)行研究十分必要。

為了緩解燃?xì)舛鎸θ細(xì)饬鞯臄_動，提升燃?xì)舛娴姆坌Ч?，國?nèi)外學(xué)者對改進(jìn)燃?xì)舛娌牧线M(jìn)行了一定的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。Suresh Kumar等[3]對C/SiC復(fù)合材料的燃?xì)舛孢M(jìn)行了研究。曹熙煒等[4]設(shè)計(jì)了一種由固體定組成的特型燃?xì)舛?。陳博[5]及劉麗麗等[6]研究了純C/C復(fù)合材料的燃?xì)舛?。陳俊等[7]研究了高溫合金鋼(30CrMnSiA) 骨架和耐高溫的碳/酚醛復(fù)合材料模壓制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)燃?xì)舛妗Ｉ鲜鰧我换驈?fù)合結(jié)構(gòu)燃?xì)舛娌牧涎芯枯^多，而在燃?xì)舛姹砻嫣砑拥入x子體噴涂涂層的研究未見相關(guān)報(bào)道。

本文所研究的燃?xì)舛娌牧蠟殁伜辖?，其具有較好的耐高溫能力和較高的比強(qiáng)度等優(yōu)異性能，不僅可以減輕燃?xì)舛娴闹亓?，而且可以提高其飛行性能[8]。運(yùn)用等離子體噴涂技術(shù)，在鈦合金燃?xì)舛嫔蠂娡咳龑油繉?，從?nèi)到外分別為金屬粘結(jié)層W涂層、陶瓷層ZrO2涂層和外層W涂層。其中W作難熔金屬，可以防護(hù)高溫射流中粒子的沖刷，內(nèi)層選用W涂層還可以作為過渡層減少界面應(yīng)力，避免陶瓷層過早剝落[9]。ZrO2涂層主要用于隔熱，防止燃?xì)舛鏈囟壬哌^快?；诹黧w計(jì)算軟件Fluent，通過改變ZrO2涂層和外層W涂層的厚度，以期獲得不同的涂層厚度組合對燃?xì)舛胬@流場的影響。

1研究方法

1.1計(jì)算模型

燃?xì)舛姘惭b在噴管出口處，對上游氣流參數(shù)不會產(chǎn)生影響。為了解高溫、高壓的超聲速氣流對燃?xì)舛胬@流場的影響，本文對整個(gè)問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕痆10]，整體計(jì)算區(qū)域模型如圖1(a)所示，采用如下邊界條件：(1)計(jì)算域入口：壓力入口條件，設(shè)定燃?xì)饪倝汉涂倻貐?shù)； (2)固體域與流體域交界面：流固耦合壁面邊界條件； (3)計(jì)算域出口：壓力出口條件，根據(jù)環(huán)境值給定總壓和總溫參數(shù)； (4)其他壁面：絕熱壁面條件。

涂層及燃?xì)舛嬗?jì)算模型如圖1(b)所示，計(jì)算時(shí)內(nèi)層W涂層厚度保持0.2 mm不變，ZrO2涂層厚度為0.5 mm和1.5 mm，外層W涂層厚度為1.0 mm和2.0 mm。取Y為-300 mm位置燃?xì)舛胬@流場進(jìn)行分析，流場參數(shù)如表1所示，材料參數(shù)如表2所示。

圖1　計(jì)算模型

參數(shù)比熱比出口總壓/atm出口溫度/K數(shù)值1.21.0300

表2　涂層及燃?xì)舛娌牧蠀?shù)

1.2計(jì)算過程及相關(guān)假設(shè)

本文計(jì)算模型的建立基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成技術(shù)。計(jì)算選擇三維黏性k-εRNG湍流模型作為求解基礎(chǔ)。瞬態(tài)計(jì)算流動方程采用二階迎風(fēng)差分格式，湍流方程則采用一階迎風(fēng)差分格式，選用隱式耦合求解器求解。

為了便于分析計(jì)算，對模型作如下假設(shè)：(1)燃?xì)鉃榭蓧嚎s的理想氣體； (2)不考慮化學(xué)反應(yīng),認(rèn)為燃?xì)饩|(zhì)單一； (3)忽略燃?xì)庵须x散相的影響； (4)在耦合傳熱中只考慮對流換熱作用，忽略輻射傳熱的影響。

2計(jì)算結(jié)果與討論

2.1無涂層時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場和速度場

無涂層時(shí)燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流壓力場和速度場如圖2所示，燃?xì)舛媲熬壭纬梢粋€(gè)高壓低速區(qū)，前緣邊緣和后緣處形成兩個(gè)低壓加速區(qū)。由圖2(a)～(c)可見，燃?xì)舛媲熬壖げO值達(dá)6 MPa，前緣邊緣處壓力值為1.5 MPa，后緣處壓力值7 s時(shí)由1.5 MPa降至1.0 MPa。由圖2(d)～(f)可見，前緣處加速效果較小，1～7 s僅由100 m/s加速至300 m/s，而前緣邊緣處和后緣速度很快加速至1 000 m/s以上。

圖2無涂層時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場和速度場

2.2不同厚度涂層的燃?xì)舛胬@流壓力場

2.2.1ZrO2涂層厚度為0.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場

ZrO2涂層厚度為0.5 mm時(shí)不同厚度W涂層的燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流壓力場如圖3所示。由圖可見，添加涂層后燃?xì)舛媲熬壧幖げO值有所降低，但前緣邊緣和后緣處壓力值降低速率加快。由圖3(a)和(d)可見，W涂層厚度增加后，1 s時(shí)燃?xì)舛媲熬墘毫χ涤? MPa降至5.5 MPa，后緣處壓力值也由1.5 MPa降至1.0 MPa。由圖3(b)和(e)可見，4 s時(shí)前緣邊緣處壓力值降低速率加快，由1.5 MPa降至1.0 MPa。由圖3(c)和(f)可見，7 s時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場各處壓力值已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3ZrO2涂層厚度為0.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場/MPa

2.2.2ZrO2涂層厚度為1.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場

ZrO2涂層厚度為1.5 mm時(shí)不同厚度W涂層的燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流壓力場如圖4所示。由圖可見，ZrO2涂層厚度增加后，燃?xì)舛媲熬壖げO值進(jìn)一步降低，前緣邊緣和后緣處壓力值降低速率加快。由圖4(a)和(d)可見，1 s時(shí)不同厚度W涂層的燃?xì)舛媲熬墘毫χ稻鶠?.0 MPa，W涂層厚度增加后，前緣邊緣和后緣處壓力值迅速降至1.0 MPa。由圖3(b)和(e)可見，4 s時(shí)不同厚度W涂層的燃?xì)舛媲熬墘毫χ捣謩e為5.5 MPa和5.0 MPa，而前緣邊緣和后緣處壓力值均迅速降至1.0 MPa。由圖4(c)和(f)可見，7 s時(shí)1.0 mm的 W涂層的燃?xì)舛胬@流壓力場各處壓力值已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，2.0 mm的 W涂層的燃?xì)舛媲熬墘毫χ等詾?.5 MPa。

圖4ZrO2涂層厚度為1.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流壓力場/MPa

由于燃?xì)饬髟谌細(xì)舛媲熬壧帍?qiáng)烈滯止，產(chǎn)生強(qiáng)激波導(dǎo)致此處壓力值急劇升高。前緣邊緣和后緣受燃?xì)舛嫘螤畹臄_動作用，使得燃?xì)饬髟诖颂幭蛲鈹U(kuò)展的過程中產(chǎn)生膨脹波，壓力值迅速降低。添加涂層后，涂層厚度增加相當(dāng)于固體域壁厚的增加，使得燃?xì)舛娴挚辜げǖ哪芰υ黾?，前緣處壓力值有所降低，但壁厚增加對燃?xì)饬鞯臄_動作用加大，從而導(dǎo)致膨脹波的強(qiáng)度有所增強(qiáng)。

2.3不同厚度涂層的燃?xì)舛胬@流速度場

2.3.1ZrO2涂層厚度為0.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流速度場

ZrO2涂層厚度為0.5 mm時(shí)不同厚度W涂層的燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流速度場如圖5所示。由圖可見，添加涂層后燃?xì)舛媲熬壧幩俣戎涤兴档?，但前緣邊緣和后緣處速度值升高速率加快。由圖5(a)和(d)可見，1 s時(shí)燃?xì)饬髟谇熬壧幩俣燃眲〗档椭?00 m/s，后緣處的加速效應(yīng)小于前緣邊緣處。由圖5(b)，(c)，(e)，(f)可見，4 s和7 s時(shí)前緣速度值仍較低，但前緣和后緣邊緣處速度值升高速率加快，馬赫數(shù)達(dá)到3～4。

圖5ZrO2涂層厚度為0.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流速度場/(m/s)

2.3.2ZrO2涂層厚度為1.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流速度場

ZrO2涂層厚度為1.5 mm時(shí)不同厚度W涂層的燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流速度場如圖6所示。由圖可見，ZrO2涂層厚度增加后，燃?xì)舛媲熬壍退賲^(qū)速度值仍很低，但前緣邊緣和后緣處加速區(qū)速度升高速率進(jìn)一步加快。由圖6(a)～(f)可見，1～7 s時(shí)，燃?xì)舛媲熬壦俣戎凳冀K較低(100～200 m/s)，前緣和后緣邊緣處加速區(qū)速度很快升至1 000 m/s以上，加速效應(yīng)顯著。

圖6ZrO2涂層厚度為1.5 mm時(shí)燃?xì)舛胬@流速度場/(m/s)

燃?xì)舛胬@流速度場與壓力場有很好的對應(yīng)性，燃?xì)舛媲熬壖げㄌ幩俣燃眲〗档?，向外擴(kuò)張的膨脹波處速度加快。添加涂層后，涂層厚度增加引起的壁厚效應(yīng)使得燃?xì)饬髟谌細(xì)舛媲熬夁吘壓秃缶壧幖铀傩?yīng)明顯，但前緣處速度值一直很低。

3結(jié)論

采用流體計(jì)算軟件Fluent分析了不同厚度ZrO2涂層和W涂層對燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流壓力場和速度場的影響，可得出如下結(jié)論：

(1) 燃?xì)舛媲熬墳閴毫袇^(qū)域，此處所形成的激波壓力值達(dá)到最大，但速度值最低。燃?xì)饬魍ㄟ^燃?xì)舛娴倪^程中會受到燃?xì)舛嫘螤畹臄_動，在前緣邊緣和后緣處均會形成膨脹波，壓力值會大幅度突降，速度值則會顯著增大。

(2) 添加涂層后，增加ZrO2涂層和W涂層厚度相當(dāng)于增加固體域的壁厚，燃?xì)舛媲熬壖げ◤?qiáng)度有所減小，對保護(hù)燃?xì)舛娴挚辜げǖ臎_刷有所幫助。但對燃?xì)饬鞯臄_動作用進(jìn)一步增大，膨脹波強(qiáng)度有所增大。

(3) 利用Fluent計(jì)算ZrO2涂層和W涂層對燃?xì)舛嫠矐B(tài)繞流場的影響，所得的壓力場和速度場的結(jié)果有很好的一致性，對探索添加等離子體噴涂涂層后燃?xì)舛鎸α鲌龅挠绊懠捌浞雷o(hù)有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yu M S, Cho H H，Hwang G Y, et al. A Study on a Surface Ablation of the Jet Vane System in a Rocker Nozzle[C]∥37th AIAA Thermo Physics Conference, 2004-2276.

[2] 劉玉磊.燃?xì)舛媪鞴恬詈蟼鳠釘?shù)值分析[J]. 航空兵器, 2013(3):41-43.

[3] Kumara S, Kumara A, Sampath K,et al. Fabrication and Erosion Studies of C-SiC Composite Jet Vanes in Solid Rocket Motor Exhaust[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31(13):2425-2431.

[4] 曹熙煒, 劉宇, 謝侃, 等. 一種特型燃?xì)舛鏀?shù)值模擬分析[J]. 固體火箭技術(shù), 2011, 34(1) :5-8．

[5] Chen Bo, Zhang Litong, Cheng Laifei, et al. Erosion Resistance of Needled Carbon/Carbon Composites Exposed to Solid Rocket Motor Plumes[J]. Carbon, 2009, 47(6):1474-1479.

[6] 劉麗麗, 李克智, 李賀軍. 基于有限元的C/C燃?xì)舛嬲駝犹匦訹J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2011(1):12-15.

[7] 陳俊, 陳雄, 薛海峰，等. 新型復(fù)合結(jié)構(gòu)燃?xì)舛鎰恿W(xué)特性仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2013, 30(1):78-81.

[8] 莫依謝耶夫.鈦合金在俄羅斯飛機(jī)及航空航天上的應(yīng)用[M]. 董寶明，張勝，郭德倫，等譯. 北京： 航空工業(yè)出版社, 2008.

[9] Cao X Q, Vassen R, Stoever D. Ceramic Materials for Thermal Barrier Coatings[J].Journal of the European Ceramic Society, 2004, 24(1): 1-10.

[10] 劉洋, 何國強(qiáng), 劉佩進(jìn), 等. 固體火箭發(fā)動機(jī)燃?xì)舛鏌岱治鰯?shù)值研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2007, 27(3):165-168.

Simulation Study on Transient Circumferential Flow Field of Gas Vane with Plasma-Sprayed High-Temperature Protective Coatings

Cao Ben1,2, Huang Zhenyi2, Niu Yaran1, Xie Lingling1,2, Zheng Xuebin1

(1.Key Laboratory of Inorganic Coating Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Science,Shanghai 200050, China； 2.Metallurgical Engineering College, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)

Abstract:The effect of different thickness combinations of ZrO2 coating and W coating on the transient circumferential flow pressure and velocity of gas vane are investigated by computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation software Fluent. The results show that the strongest shock wave happened at the leading edge of gas vane, where pressure achieves the highest, but velocity is the lowest. Gas flow is disturbed by the shape of gas vane, which makes dilatation wave appear at both sides of the leading edge and training edge, where pressure decreases abruptly, but velocity increases remarkable. While wall effect caused by the increasing thickness of ZrO2 coating and W coating, which improves the resistance ability of gas vane to shock wave, but the strength of dilatation wave is enhanced. The results have certain significance to explore the protection of gas vane with plasma sprayed coatings.

Key words:gas vane; plasma-spray; circumferential flow field; numerical simulation

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.013

收稿日期：2015-06-14

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2013DFG522PD)； 中國科學(xué)院特種無機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目(KLICM-2013-09)

作者簡介：曹奔(1990-)，男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邷胤雷o(hù)涂層研究。

中圖分類號:TJ760.3+52;V435

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0069-04