低溫風(fēng)洞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核

宋遠(yuǎn)佳， 賴 歡， 陳萬華， 張 偉

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 綿陽 621000)

低溫風(fēng)洞是通過降低運(yùn)行介質(zhì)溫度實(shí)現(xiàn)大雷諾數(shù)模擬的最佳途徑[1]。為維持低溫風(fēng)洞運(yùn)行的低溫環(huán)境,需采用具有高效保冷性能的絕熱結(jié)構(gòu)。當(dāng)前,中外低溫風(fēng)洞常用的絕熱方式主要有外絕熱方式[2]、冷箱方式[3]、內(nèi)絕熱方式[4]、內(nèi)外絕熱組合方式[5]4種。其中,內(nèi)絕熱方式因具有能有效縮短風(fēng)洞降溫過程的運(yùn)行時間、減少需降溫的部件數(shù)量、減小風(fēng)洞的噪聲等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是大型低溫風(fēng)洞最佳的絕熱方式。

防護(hù)結(jié)構(gòu)[6]作為低溫風(fēng)洞內(nèi)絕熱系統(tǒng)的其中一個子系統(tǒng),具有隔絕絕熱單元與低溫介質(zhì)、降低冷量損耗、形成氣流通道的作用。然而,防護(hù)結(jié)構(gòu)在風(fēng)洞運(yùn)行過程中不斷承受著低溫風(fēng)洞運(yùn)行的低溫載荷和交變壓力載荷,因此開展防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核研究,對于保證防護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力,維持風(fēng)洞的正常運(yùn)行具有重要意義。目前,國外已建成的三座大型生產(chǎn)型低溫風(fēng)洞分別為德國的低溫低速風(fēng)洞(kryo-kanal koeln,KKK)[7]、美國的國家跨聲速設(shè)備(national transonic facility,NTF)[8-9]和歐洲跨聲速風(fēng)洞(European transonic wind tunnel,ETW)[10-11],均已成功實(shí)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝,但相關(guān)的設(shè)計和制備工藝方案尚未發(fā)表。

隨著中國航空航天工業(yè)的快速發(fā)展,對大型生產(chǎn)型低溫風(fēng)洞需求越來越迫切。鑒于此,現(xiàn)重點(diǎn)開展低溫風(fēng)洞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核研究。首先對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計,明確各部件尺寸和材料；然后,基于風(fēng)洞運(yùn)行的最惡劣工況,采用數(shù)值計算方法對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核；最后,對防護(hù)結(jié)構(gòu)開展低溫環(huán)境下的交變壓力沖擊試驗(yàn)。研究成果將對中國自主開展大型低溫風(fēng)洞的設(shè)計建設(shè)具有重要的借鑒意義。

1 防護(hù)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

低溫風(fēng)洞洞體尺寸、洞體與外界環(huán)境接觸表面積、洞體結(jié)構(gòu)質(zhì)量及洞體結(jié)構(gòu)熱容量均較大,因此,低溫風(fēng)洞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從減少洞體結(jié)構(gòu)液氮消耗，確保內(nèi)絕熱系統(tǒng)的可靠性、工藝性及可維護(hù)性等方面進(jìn)行考慮。

防護(hù)結(jié)構(gòu)由防護(hù)板、上壓條、下壓條以及支撐件組成,防護(hù)板通過壓條組、支撐件與風(fēng)洞洞壁連接,如圖1所示。

圖1 防護(hù)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

防護(hù)板設(shè)計為Z形,前后依次搭接,如圖2所示,環(huán)向組成24邊形,從而形成整個風(fēng)洞的流道。防護(hù)板由T形上、下壓條通過M10螺釘(含平墊圈和彈簧墊圈)連接而固定,這樣在環(huán)境溫度變化時,防護(hù)板可自由膨脹或收縮,保證洞體內(nèi)流道面不發(fā)生變形,同時為加強(qiáng)防護(hù)板的安全性和可靠性,在其一側(cè)的中心位置設(shè)置了固定點(diǎn),通過M8螺釘對防護(hù)板和下壓條進(jìn)行連接,如圖3所示。下壓條一端為固定端(圖4),通過M10螺釘(含平墊圈和彈簧墊圈)與支撐件連接,另一端為自由端,在低溫下可通過壓塊的導(dǎo)向沿風(fēng)洞軸線方向滑移(圖5)。

圖2 防護(hù)結(jié)構(gòu)搭接

圖3 防護(hù)板安裝

圖4 下壓條固定端

圖5 下壓條自由端

圖6 支撐件組成

支撐件采用點(diǎn)式布置,設(shè)計為三級調(diào)節(jié),包括調(diào)節(jié)單元、支撐座、墊片、墊塊等零件,如圖6所示。各調(diào)節(jié)單元之間采用螺紋連接。支撐件與風(fēng)洞通過焊接于洞壁的M16螺柱(含兩個M16螺母)進(jìn)行機(jī)械連接,如圖7所示。為減小支撐件整體的冷量損失,采取在其內(nèi)部填充絕熱材料的措施,如圖8所示。最后在外表面包覆一層彈性補(bǔ)償材料,如圖9所示。

根據(jù)上述設(shè)計思路,設(shè)計并制作了防護(hù)結(jié)構(gòu)部件,防護(hù)結(jié)構(gòu)各部件尺寸如圖10所示。防護(hù)板和壓條組均采用2219-T87鋁合金材料,支撐件采用聚醚醚酮復(fù)合材料,相應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖11所示。安裝完成后的防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖7 支撐件安裝

圖8 支撐件絕熱處理

圖9 支撐件補(bǔ)償處理

圖10 防護(hù)結(jié)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)及尺寸

圖11 實(shí)物圖

圖12 防護(hù)結(jié)構(gòu)安裝完成圖

2 防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值校核

由于防護(hù)結(jié)構(gòu)承受著低溫環(huán)境和風(fēng)洞運(yùn)行的交變壓力,為此,采用數(shù)值計算方法[12]對其進(jìn)行強(qiáng)度校核,以驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。

2.1 有限元模型

根據(jù)防護(hù)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計及尺寸參數(shù),建立防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖13所示,相關(guān)材料物性參數(shù)如表1所示。為便于計算,忽略振動、噪聲、氣流脈動、重力等載荷因素的影響。采用八節(jié)點(diǎn)力-熱耦合六面體單元——C3D8RT對試件劃分網(wǎng)格。

圖13 防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 材料性能參數(shù)

2.2 載荷條件

參考國外大型低溫風(fēng)洞NTF和ETW的運(yùn)行條件[8-11],計算時所考慮的載荷主要包括溫度、壓力和自重。

溫度載荷T：氮?dú)鉁囟葹?7 K,環(huán)境溫度為305.6 K,初始溫度為305.6 K。

壓力載荷P1：快速降壓時氣流壓強(qiáng)為15 kPa。

壓力載荷P2：快速升壓時氣流壓強(qiáng)為10 kPa。

重力載荷G：防護(hù)結(jié)構(gòu)自身重力,重力加速度g=9.8 m/s2。

2.3 邊界條件

防護(hù)板、壓條組、支撐件上表面與氣流的對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)(圖14)。

洞體外表面與環(huán)境的對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)；模型所有側(cè)面默認(rèn)絕熱。

模型4個側(cè)面均采用對稱邊界約束,沒有垂直于面法向方向的位移(圖15)。

圖14 熱邊界條件

圖15 位移邊界條件

2.4 計算工況

低溫風(fēng)洞運(yùn)行過程中,主要包括溫度工況(T+G)、降壓工況(P1+G)、升壓工況(P2+G)、溫度降壓工況(T+P1+G)和溫度升壓工況(T+P2+G),其中,溫度降壓工況和溫度升壓工況是防護(hù)結(jié)構(gòu)最惡劣的服役工況。因此,重點(diǎn)針對溫度降壓工況(T+P1+G)和溫度升壓工況(T+P2+G)開展防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

2.5 結(jié)果分析

根據(jù)上述載荷和邊界條件,計算得到防護(hù)結(jié)構(gòu)在溫度降壓、升壓工況下的溫度場、熱通量和應(yīng)力場,分別如圖16和圖17所示。

圖16 溫度降壓工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值計算結(jié)果

圖17 溫度升壓工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值計算結(jié)果

從圖16(a)和圖17(a)中可以看出,兩種工況下,防護(hù)板與壓條組的溫度與風(fēng)洞環(huán)境一致,為77 K,這充分說明防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效防止冷量外泄。沿著支撐件向洞體壁方向,溫度逐漸升高,洞體外壁面溫度為291 K,比大氣露點(diǎn)溫度(約302 K)低10.7 K,因此,洞體外表面不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。但是,由于支撐件連接著風(fēng)洞外壁與防護(hù)板,洞體外部高溫環(huán)境可能通過支撐件的熱傳導(dǎo)作用改變風(fēng)洞內(nèi)部溫度。由圖16(b)和圖17(b)可知,兩種工況下,防護(hù)板和壓條組的熱通量都非常小,這進(jìn)一步表明防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效維持風(fēng)洞運(yùn)行所需的低溫環(huán)境,防止冷量損耗。但支撐件外邊緣附近的熱通量較大,尤其是下壓條與支撐件連接處的熱通量最大,達(dá)到3.6×103W/m2,而支撐件底座處熱通量也達(dá)到了1.2×102W/m2,這主要是因?yàn)橹渭鳛轱L(fēng)洞外壁與防護(hù)板連接件,容易產(chǎn)生熱橋,導(dǎo)致冷量外泄。因此,在實(shí)際設(shè)計建造過程中可在支撐件周圍填充一些絕熱材料,降低支撐件的熱橋效應(yīng),防止冷量外泄。由圖16(c)和圖17(c)可知,兩種工況下,防護(hù)結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平不高,溫度降壓工況下應(yīng)力最大約80.99 MPa,溫度升壓工況下應(yīng)力最大約55.49 MPa,主要出現(xiàn)在下壓條與支撐件的接觸面上,這是因?yàn)榇颂帪榧饨俏恢?力傳遞受阻,容易應(yīng)力集中。而壓條的抗拉強(qiáng)度為5.2×102MPa,支撐件的抗拉強(qiáng)度為1.1×102MPa,因此,即使出現(xiàn)了應(yīng)力集中,但防護(hù)結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力仍小于材料許用應(yīng)力,滿足強(qiáng)度要求。

圖18 低溫環(huán)境試驗(yàn)艙

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)校核

為進(jìn)一步驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性,建立了低溫環(huán)境試驗(yàn)艙平臺,如圖18所示,以考核防護(hù)結(jié)構(gòu)性能。試驗(yàn)平臺采取液氮制冷和電加熱的方式,調(diào)節(jié)試驗(yàn)艙內(nèi)穩(wěn)定的環(huán)境溫度。溫度可調(diào)范圍為100～300 K,壓力可調(diào)范圍為1×10-2～4.5×10-1MPa。將防護(hù)結(jié)構(gòu)安裝在試驗(yàn)艙內(nèi)壁上,通過支撐件與試驗(yàn)艙連接,安裝效果如圖12所示。

利用低溫環(huán)境試驗(yàn)艙開展了低溫環(huán)境下的交變壓力沖擊試驗(yàn),首先將低溫環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)的溫度降低至100 K,然后反復(fù)升降壓(3.5×10-1～2×10-1MPa)。試驗(yàn)結(jié)束后,待艙內(nèi)溫度回升到室溫,對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開艙檢查,發(fā)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)表面無任何可視裂紋,這說明設(shè)計的防護(hù)結(jié)構(gòu)滿足低溫風(fēng)洞運(yùn)行的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

對低溫風(fēng)洞內(nèi)絕熱系統(tǒng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總體設(shè)計,建立防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值計算模型,基于風(fēng)洞運(yùn)行兩種惡劣工況,對防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值校核。得到的結(jié)論如下。

(1)洞體外壁溫度低于環(huán)境露點(diǎn)溫度,不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,熱防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效防止冷量外泄,但由于支撐件的熱橋效應(yīng),支撐件附近存在冷量損耗。

(2)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)滿足低溫風(fēng)洞運(yùn)行工況下的強(qiáng)度要求。

研究成果為中國將來自主開展大型低溫風(fēng)洞的設(shè)計建設(shè)提供一定的借鑒。