基于流固熱耦合低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段熱力學(xué)特性分析

張志秋，陳振華，聶旭濤，姚程煒

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

基于流固熱耦合低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段熱力學(xué)特性分析

張志秋＊，陳振華，聶旭濤，姚程煒

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

低溫風(fēng)洞降溫過程中，溫度變化范圍大，容易在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引發(fā)較大熱應(yīng)力，影響設(shè)備運(yùn)行安全。以中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心0.3m跨聲速低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段為研究對(duì)象，基于流固熱耦合方法，采用多物理場(chǎng)數(shù)據(jù)交換接口MpCCI，聯(lián)合結(jié)構(gòu)有限元軟件Abaqus和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，建立擴(kuò)散段的流固熱耦合仿真模型，分析低溫內(nèi)流場(chǎng)的換熱特性，計(jì)算低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的溫度及應(yīng)力分布。通過低溫風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流固熱耦合仿真結(jié)果接近于實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，能夠準(zhǔn)確反映低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性，可為低溫風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)安全性能優(yōu)化提供可靠的仿真分析方法。

流固熱耦合；低溫風(fēng)洞；擴(kuò)散段；熱力學(xué)特性分析

0 引 言

低溫風(fēng)洞通過降低試驗(yàn)氣體溫度可以提高試驗(yàn)雷諾數(shù)，能夠滿足飛行器氣動(dòng)性能準(zhǔn)確模擬對(duì)雷諾數(shù)的需求，是十分重要的飛行器氣動(dòng)性能地面模擬設(shè)備。試驗(yàn)氣體降溫過程中，低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)與氣流間存在著不均勻熱交換，結(jié)構(gòu)局部易出現(xiàn)較大溫度梯度，引發(fā)熱變形，且受各類邊界約束以及氣動(dòng)載荷的作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力超出許用范圍，從而威脅設(shè)備運(yùn)行安全。另外，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)變形會(huì)引起風(fēng)洞回路軸線偏離、氣動(dòng)型面變形和內(nèi)部氣流表面出現(xiàn)階差等諸多問題，影響風(fēng)洞的氣動(dòng)性能。因此，分析和控制低溫環(huán)境下風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的熱變形是低溫風(fēng)洞研制的關(guān)鍵技術(shù)問題。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱變形分析通常采用試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值仿真等方法。相對(duì)而言，數(shù)值仿真能夠準(zhǔn)確、全面地反映結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況，為結(jié)構(gòu)熱力學(xué)特性優(yōu)化提供可靠、充分的參考依據(jù)，且成本較低，分析周期較短。所以，基于數(shù)值仿真方法，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性開展了廣泛研究。朱鴻梅［1－2］采用有限元方法，對(duì)冷卻過程中非磁性低溫杜瓦的螺紋粘接接頭進(jìn)行瞬態(tài)熱應(yīng)力仿真，分析了等效應(yīng)力與冷卻時(shí)間的變化關(guān)系。Kim、Kang［3－4］等對(duì)復(fù)合材料／鋁環(huán)狀試件的熱力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并將低溫?zé)釕?yīng)力與有限元仿真結(jié)果作出對(duì)比分析。朱立偉［5］應(yīng)用有限元分析軟件分析了LNG船用超低溫球閥在超低溫條件下的應(yīng)力特性，并提出改進(jìn)應(yīng)力集中的措施。上述研究均采用有限元分析方法，關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性，而低溫環(huán)境下考慮流固熱耦合作用的熱力學(xué)特性分析尚不多見?？紤]流固熱耦合作用的研究，也大多關(guān)注流體傳熱［6－7］，或溫度變化較小的結(jié)構(gòu)傳熱［8－9］。

本文以風(fēng)洞典型結(jié)構(gòu)部段——擴(kuò)散段為研究對(duì)象，基于流固熱耦合方法，建立低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段的流固熱耦合仿真模型，重點(diǎn)分析低溫下擴(kuò)散段的換熱特性，計(jì)算擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)的溫度及應(yīng)力分布，并在風(fēng)洞低溫運(yùn)行過程中對(duì)擴(kuò)散段溫度和應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試研究。

1 試驗(yàn)裝置

低溫試驗(yàn)在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的0.3m跨聲速低溫風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)主要研究擴(kuò)散段的熱力學(xué)特性。低溫風(fēng)洞正常情況外壁面有保溫層，風(fēng)洞調(diào)試期間，壁面暫未加保溫層，故本文計(jì)算按未加保溫層考慮。風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)，擴(kuò)散段將氣流動(dòng)能恢復(fù)為壓力能，以減少氣流在擴(kuò)散段下游各段的能量損失［10］。擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)關(guān)于垂直中心面左右對(duì)稱，由內(nèi)流道、駐室、駐室進(jìn)氣管道和支座組成。4個(gè)支座均為滑動(dòng)支座，通過雙頭螺柱壓緊于絕熱塊上，從而限制結(jié)構(gòu)在豎直方向的位移，同時(shí)保證低溫工況下在水平方向可自由收縮。內(nèi)流道中通入快速流動(dòng)的低溫氮?dú)?，使流?chǎng)和結(jié)構(gòu)得以快速降溫。為降低駐室與內(nèi)流道之間的溫度梯度，需從風(fēng)洞回路向駐室引入冷卻氣體，其溫度與內(nèi)流道中的氮?dú)饨咏?，但流速相?duì)較小。結(jié)構(gòu)外壁面直接與空氣接觸。擴(kuò)散段模型如圖1所示。

2 計(jì)算方法

降溫過程中，擴(kuò)散段換熱不均勻，導(dǎo)致局部存在溫度梯度，引發(fā)熱應(yīng)力。本文采用流固熱耦合方法，求解結(jié)構(gòu)的溫度分布；采用順序熱力耦合方法，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

圖1 低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段模型Fig.1 Structure model of cryogenic wind tunnel diffuser section

2.1 傳熱理論

傳熱有3種方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。本文研究對(duì)象處于低溫工況，可忽略輻射效應(yīng)。

流體內(nèi)部的傳熱涉及3個(gè)重要物理定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，此處不再贅述。

流體的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)取決于當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)Re，Re＞104時(shí)為完全湍流［11］。內(nèi)流道入口雷諾數(shù)為2.96 ×106，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型進(jìn)行模擬。

本文中流體通過耦合界面與固體發(fā)生熱交換，壁溫是時(shí)間的函數(shù)，為第一類邊界條件。

結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳熱方式為導(dǎo)熱，直角坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱方程通常寫作：

式中：q·為單位體積產(chǎn)生的熱能。無內(nèi)熱源，則

邊界條件為第三類邊界條件：

式中：Tw為固體壁面溫度，Tf為膜層溫度，即對(duì)流邊界層中流體的溫度?？紤]熱邊界層對(duì)換熱的影響，用T∞表示遠(yuǎn)場(chǎng)溫度，Tf可用下式計(jì)算：

結(jié)構(gòu)外壁面與大氣傳熱方式為自然對(duì)流；內(nèi)流道結(jié)構(gòu)與流體之間的傳熱方式為強(qiáng)制對(duì)流。駐室腔體內(nèi)氮?dú)饬魉俸艿?，與駐室殼體間的傳熱方式可視為自然對(duì)流。

等溫水平長圓柱的大空間自然對(duì)流換熱，可采用以下關(guān)聯(lián)式［11］估算：

式中：Ra為瑞利數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，要求Ra≤1012。

2.2 流固熱耦合計(jì)算方法

多物理場(chǎng)耦合計(jì)算通常分為直接耦合法和間接耦合法。直接耦合是對(duì)問題涉及的所有數(shù)學(xué)物理方程進(jìn)行聯(lián)合求解，一般適用于較簡單的物理問題。本文采用間接迭代耦合法，分別對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，再將耦合界面的物理量通過映射與差值［12－13］傳遞給外場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，如此循環(huán)迭代。

采用多物理場(chǎng)代碼耦合軟件Mp CCI，聯(lián)合Abaqus與Fluent進(jìn)行流固熱耦合仿真。在結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)耦合界面上，交換的物理量為膜層溫度Tf、換熱系數(shù)h和壁溫Tw。壁溫由Abaqus計(jì)算，經(jīng)Mp CCI傳入Fluent。耦合壁面的換熱系數(shù)與膜層溫度由Fluent計(jì)算，經(jīng)Mp CCI傳入Abaqus。計(jì)算采用串行算法，即Abaqus收到Fluent傳入的初始數(shù)據(jù)后開始迭代，經(jīng)過固定耦合時(shí)間步長后，將計(jì)算得到的耦合量（節(jié)點(diǎn)溫度）傳入Fluent；Fluent收到數(shù)據(jù)后經(jīng)相同時(shí)間步長的迭代，將計(jì)算得到的耦合量（換熱系數(shù)與膜層溫度）傳入Abaqus，依此循環(huán)，典型串行算法的數(shù)據(jù)傳遞過程如圖2所示。

圖2 串行耦合算法Fig.2 Serial coupling algorithms

2.3 熱應(yīng)力計(jì)算

熱應(yīng)力是由于部件受熱不均勻而存在溫度差異，導(dǎo)致各處膨脹變形或收縮變形不一致，且相互制約而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。對(duì)各項(xiàng)同性材料，自由膨脹的變分量為：

式中：εx、εy、εz為沿X、Y、Z方向應(yīng)變分量；α為線膨脹系數(shù)。

如果物體邊界有約束條件，自由膨脹受到約束限制，微元體會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。根據(jù)線性應(yīng)力原理和胡克定律，描述應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的物理方程為：

式中：E為材料楊氏模量；μ為泊松比；σx、σy、σz為沿X、Y、Z方向應(yīng)力分量；G為材料剪切模量，G＝2E（1＋μ）；ΔT為從無應(yīng)力狀態(tài)開始的溫差。

擴(kuò)散段中溫差較大區(qū)域?yàn)轳v室與內(nèi)流道的過渡區(qū)域，這也是應(yīng)力分析重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域。

3 建立流固熱耦合仿真模型

本節(jié)分別建立流體與結(jié)構(gòu)傳熱模型，在Mp CCI中設(shè)置相關(guān)耦合參數(shù)，聯(lián)合Abaqus與Fluent進(jìn)行流固熱耦合分析。將結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)作為載荷導(dǎo)入Abaqus中，進(jìn)行順序熱力耦合分析。

3.1 流體傳熱模型

擴(kuò)散段內(nèi)的流場(chǎng)比較復(fù)雜，對(duì)其做出以下幾點(diǎn)簡化。首先，駐室內(nèi)氣流壓差小，且大部分位置氣流速度低于1m／s，對(duì)換熱能力的促進(jìn)作用較小，因此以自然對(duì)流作為后期結(jié)構(gòu)熱固耦合的邊界條件。流體傳熱模型中僅考慮內(nèi)流道的流場(chǎng)，內(nèi)流道壁面為耦合界面。其次，擴(kuò)散段內(nèi)流道實(shí)際入口氣流較紊亂，速度分布復(fù)雜，此處簡化為簡單的均勻來流。最后，不考慮介質(zhì)的摩擦損失以及介質(zhì)的物性參數(shù)隨溫度的變化。

流體傳熱模型入口馬赫數(shù)為0.2；入口溫度隨時(shí)間變化，通過Matlab對(duì)實(shí)測(cè)入口溫度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并寫入U(xiǎn)DF，如圖3所示。出口邊界設(shè)置為outflow；壁面邊界條件設(shè)置為不滑移，溫度由Abaqus傳入。

圖3 降溫曲線與擬合降溫曲線Fig.3 Cooling curve and fitting cooling curve

湍流模型采用k－ε兩方程模型，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，要求第一層網(wǎng)格厚度位于對(duì)數(shù)律區(qū)域，且Y＊＞11.225。經(jīng)Fluent計(jì)算后，調(diào)整第一層網(wǎng)格厚度，直到滿足湍流模型對(duì)Y＊的要求。

網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，數(shù)量為293 436，如圖4所示。為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，對(duì)以下工況——入口馬赫數(shù)為0.2，入口流體溫度為270K，壁面溫度為300K——進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比壁面平均對(duì)流換熱系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 流體網(wǎng)格Fig.4 Fluid gridding

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.5 Grid independence verification

3.2 結(jié)構(gòu)傳熱模型

對(duì)結(jié)構(gòu)作出以下幾點(diǎn)簡化。風(fēng)洞擴(kuò)散段是薄壁殼體，有限元采用實(shí)體單元對(duì)實(shí)際模型簡化少，能較好反映實(shí)際結(jié)構(gòu)，但厚度方向節(jié)點(diǎn)不易控制，網(wǎng)格質(zhì)量不好，計(jì)算量大。因此本文采用殼體單元建模，可提高計(jì)算效率。此外，降溫過程中，空氣中的水蒸氣會(huì)在擴(kuò)散段外壁面凝華結(jié)霜，對(duì)傳熱會(huì)產(chǎn)生一定影響。建模中通過設(shè)置較小的對(duì)流換熱系數(shù)來近似模擬，不考慮結(jié)霜過程。最后，不考慮支座處摩擦阻力對(duì)位移的約束。

擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)關(guān)于垂直中心面左右對(duì)稱，對(duì)于有限元計(jì)算，只需建立半模即可，如圖6所示。采用Abaqus前處理器對(duì)結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，并細(xì)化駐室與內(nèi)流道交界處網(wǎng)格，保證殼單元厚度方向至少有5個(gè)積分點(diǎn)［14－15］，總網(wǎng)格數(shù)為19 714。傳熱分析采用傳熱單元DS4。結(jié)構(gòu)傳熱分析中只需考慮模型的換熱問題。初始溫度設(shè)置為300K；外壁面自然對(duì)流換熱系數(shù)可按公式（4）進(jìn)行估算，駐室外表面不同截面處的直徑、溫度均變化較大，計(jì)算時(shí)采用算數(shù)平均值。降溫末期，結(jié)構(gòu)外表面結(jié)冰結(jié)霜會(huì)減弱傳熱效果，因此換熱系數(shù)的取值應(yīng)適當(dāng)減小。結(jié)構(gòu)外壁面換熱系數(shù)取為5 W／（m2·K）；駐室內(nèi)冷卻氣體引自風(fēng)洞回路，溫度與內(nèi)流道氮?dú)鉁囟冉咏?，因此將?nèi)流道入口測(cè)量溫度作為駐室氣體溫度。駐室內(nèi)氣流速度小，在大部分位置速度低于1m／s，因此簡化為自然對(duì)流邊界處理。自然對(duì)流換熱系數(shù)通常在10W／（m2·K）以內(nèi)，參照封閉腔內(nèi)自然對(duì)流換熱工況［16］下的換熱水平，將駐室內(nèi)換熱系數(shù)取為3.5W／（m2·K）。

圖6 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格Fig.6 Structure gridding

3.3 流固熱耦合模型

在流固熱耦合模型中，耦合界面為內(nèi)流道壁面?？偟慕禍貢r(shí)間為6400s，耦合物理量為流體溫度、換熱系數(shù)和固壁溫度。

溫度從300K降至110K，每秒鐘溫度下降0.03K。軟件中，流固熱耦合時(shí)間步長設(shè)置為1s。在該時(shí)間步長內(nèi)，耦合量的變化都足夠小，從而可準(zhǔn)確反映瞬態(tài)過程中的換熱特性。

3.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型

熱應(yīng)力分析中采用S4R殼體單元，支座處限制Y方向自由度，出口端面限制Z方向自由度，將傳熱分析得到的溫度場(chǎng)作為溫度載荷加載到應(yīng)力分析步。

4 試驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)包括低溫電阻溫度傳感器、低溫應(yīng)變傳感器、數(shù)據(jù)采集器和顯示系統(tǒng)。

溫度和應(yīng)變傳感器布置在駐室與內(nèi)流道外壁面的水平位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)力變化。粘貼傳感器之前，先要對(duì)粘貼表面進(jìn)行處理，保證傳感器與表面的緊密貼合。然后在傳感器與鋼結(jié)構(gòu)之間涂上剛性較好的低溫膠，在傳感器背面涂上彈性較好的防護(hù)膠。通過在測(cè)點(diǎn)附近粘貼補(bǔ)償塊的方式，消除溫度變化造成的傳感器誤差。

數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為吉時(shí)利2701，將其與工控機(jī)箱串聯(lián)，通過電腦顯示器即可設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)力變化。

試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)分布如圖7所示，其中T1～T13為溫度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)T1～T9位于駐室椎形體外表面水平母線上，測(cè)點(diǎn)T10位于冷氣入口管道與駐室連接處附近，測(cè)點(diǎn)T11～T13位于冷氣入口管道外壁；示意圖中三角形代表應(yīng)力測(cè)點(diǎn)S1，位于駐室與內(nèi)流道連接處。在內(nèi)流道、駐室靠近內(nèi)表面處布置溫度探針，監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)發(fā)生換熱的氣體溫度。

圖7 測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.7 Diagram of measuring points distribution

降溫時(shí)間為6400s，氣流溫度由300K降至130K。此間，結(jié)構(gòu)表面會(huì)結(jié)霜。隨后，風(fēng)洞恢復(fù)常溫，降溫過程如圖8所示。

圖8 降溫過程Fig.8 Cooling process

5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

本節(jié)首先將低溫風(fēng)洞試驗(yàn)溫度測(cè)量結(jié)果與流固熱耦合仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)的傳熱特性。然后將低溫風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與順序熱力耦合仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。

5.1 耦合傳熱分析

由降溫曲線的斜率可判斷降溫速率：0～2500s，溫度均勻下降；2500～3400s，降溫速率逐漸減慢；3400～4500s溫度均勻下降；4500～4800s，降溫速率突然變大，隨后恢復(fù)之前的降溫速率。

流固熱耦合仿真計(jì)算得到結(jié)構(gòu)在1000、2500、5000和6400s的溫度場(chǎng)，如圖9所示。由溫度分布可知，駐室與內(nèi)流道過渡區(qū)域的溫度梯度較大。駐室內(nèi)氣流速度低，換熱效果差，且熱量傳導(dǎo)至溫度較低的內(nèi)流道需經(jīng)過結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱，以上原因?qū)е埋v室外壁溫度明顯高于內(nèi)流道外壁溫度。

圖9 降溫過程結(jié)構(gòu)溫度分布Fig.9 Distribution of structural temperature when cooling down

測(cè)點(diǎn)T2位于內(nèi)流道外壁，T4位于駐室與內(nèi)流道過渡區(qū)域。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真曲線趨勢(shì)與測(cè)量曲線保持一致，最大偏差為20K左右。2500～3400s，降溫速率減慢，溫度測(cè)量與仿真曲線的斜率也隨時(shí)間減小，符合實(shí)際情況。4500～4800s，降溫速率突然變大，在仿真曲線中可明顯看到斜率增大，而實(shí)際測(cè)量曲線并未反映出該降溫速率的變化，如圖10和11所示。

圖10 測(cè)點(diǎn)T2溫度變化曲線Fig.10 Temperature change curve of T2

圖11 測(cè)點(diǎn)T4溫度變化曲線Fig.11 Temperature change curve of T4

測(cè)點(diǎn)T7、T9位于駐室外壁面，由本節(jié)前面的分析可知該處降溫速率較慢。實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，溫度在250K以上，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，如圖12和13所示。

圖12 測(cè)點(diǎn)T7溫度變化曲線Fig.12 Temperature change curve of T7

圖13 測(cè)點(diǎn)T9溫度變化曲線Fig.13 Temperature change curve of T9

測(cè)點(diǎn)T10位于駐室上，靠近冷氣入口管道底部。測(cè)點(diǎn)T12位于冷氣入口管道上。由于管道內(nèi)氣流速度較低，換熱不充分，所以該處結(jié)構(gòu)溫度較高。試驗(yàn)測(cè)量與仿真計(jì)算偏差較小，在10K以內(nèi)，如圖14和15所示。

圖14 測(cè)點(diǎn)T10溫度變化曲線Fig.14 Temperature change curve of T10

圖15 測(cè)點(diǎn)T12溫度變化曲線Fig.15 Temperature change curve of T12

總的來說，溫度測(cè)量與仿真曲線吻合較好。最大偏差在20K以內(nèi)，發(fā)生在降溫末期。

5.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大小與溫度梯度成正比。由5.1節(jié)傳熱分析可知，駐室與內(nèi)流道過渡區(qū)域應(yīng)力較大。圖16為結(jié)構(gòu)在1000、2500、5000和6400s時(shí)刻的應(yīng)力分布。由應(yīng)力分布可知，支座、法蘭以及駐室與內(nèi)流道過渡區(qū)域應(yīng)力較大。由于采用殼體單元建模，支座、法蘭處過于簡化，可能導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算不準(zhǔn)確。

對(duì)比應(yīng)力仿真曲線與結(jié)構(gòu)降溫曲線可知，應(yīng)力變化與溫度變化基本對(duì)應(yīng)。在0～2500s，均勻降溫，應(yīng)力隨時(shí)間增大；2500～3400s，降溫速率逐漸減小，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)熱，局部溫度梯度減小，熱應(yīng)力減??；3400～4500s，均勻降溫，應(yīng)力隨時(shí)間增大；4500～4800s，降溫速率突然變大后恢復(fù)，S1處應(yīng)力曲線也出現(xiàn)一個(gè)凸起。

由圖17可知，應(yīng)力仿真值與實(shí)際測(cè)量值吻合較好。最大偏差為10MPa左右，發(fā)生在降溫末期。溫度應(yīng)力最大值121MPa出現(xiàn)在降溫末期，在駐室與支座之間。使仿真與計(jì)算產(chǎn)生偏差的原因，可能有以下3點(diǎn)：（1）風(fēng)洞回路中，低溫氮?dú)饨?jīng)過試驗(yàn)段后均勻性較差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳熱不均勻；（2）降溫末期，擴(kuò)散段外結(jié)霜結(jié)冰，影響應(yīng)力測(cè)量；（3）防護(hù)膠經(jīng)過低溫后粘合度下降，甚至出現(xiàn)脆裂。

通過仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試，擴(kuò)散段溫度應(yīng)力低于材料的許用應(yīng)力（115MPa），在低溫和給定的試驗(yàn)溫度變化條件下，擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)是安全的。

圖16 降溫過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.16 Distribution of structural stress when cooling down

圖17 降溫過程測(cè)量與仿真應(yīng)力變化曲線Fig.17 Simulation and measuring curve of stress when cooling down

圖18 最大應(yīng)力位置Fig.18 The position of maximum stress

6 結(jié) 論

通過對(duì)低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)得出如下2點(diǎn)結(jié)論：

（1）采用殼體單元對(duì)風(fēng)洞擴(kuò)散段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模是可行的，可以減小計(jì)算規(guī)模。盡管局部位置可能過于簡化，但應(yīng)力計(jì)算值與仿真值基本在一個(gè)量級(jí)。

（2）利用第三方軟件MpCCI聯(lián)合Abaqus與Fluent進(jìn)行流固熱耦合仿真，得到結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布；再將溫度場(chǎng)作為載荷，利用Abaqus進(jìn)行順序熱力耦合分析，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)。通過風(fēng)洞低溫試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確反映低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性，可為低溫風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)安全性能優(yōu)化提供可靠的仿真分析方法。

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Thermodynamic characteristic analysis of the cryogenic wind tunnel diffuser section based on fluid－thermal－structural coupling

Zhang Zhiqiu＊，Chen Zhenhua，Nie Xutao，Yao Chengwei
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

In cooling down process，the cryogenic wind tunnel has a wide range of temperature variation，which may lead to strong structural thermal stress and affect equipment smooth and safe operation.The cryogenic wind tunnel diffuser section is investigated in this paper based on fluid－thermal－structural coupling.The data exchange interface for multiple physical fields，MpCCI，is adopted to combine the structural finite element software，Abaqus，and Computational Fluid Dynamics（CFD）software，F(xiàn)luent.The fluid－thermal－structural coupling model of the diffuser section is established to investigate heat transfer characteristics of the cryogenic internal flow field and calculate the distribution of temperature and stress in the cryogenic wind tunnel structure.The cryogenic wind tunnel experiment indicates that the results of fluid－thermal－structural cosimulation agree well with the test results，which reflect correctly the thermodynamic characteristic of cryogenic wind tunnel structure and provide reliable analysis method for safety performance optimization of wind tunnel structure.

fluid－thermal－structural interaction；cryogenic wind tunnel；diffuser section；thermodynamic characteristic analysis

V211.754

A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）06－0018－08

10.11729／syltlx20160100

2016－06－15；

2016－08－18

＊通信作者E－mail：zhiqiuz＠gmail.com

Zhang Z Q，Chen Z H，Nie X T，et al.Thermodynamic characteristic analysis of the cryogenic wind tunnel diffuser section based on fluidthermal－structural coupling.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：18－25.張志秋，陳振華，聶旭濤，等.基于流固熱耦合低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段熱力學(xué)特性分析.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（6）：18－25.

張志秋（1992－），男，湖北黃岡人，碩士研究生。研究方向：風(fēng)洞設(shè)計(jì)。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號(hào)14信箱402分箱（621000）。E－mail：zhiqiuz＠gmail.com