S形閥口氣動(dòng)性能和耦合強(qiáng)度分析及試驗(yàn)

朱建國(guó)，徐向毅，周學(xué)鋒

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100；2.空軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710065)

0 引言

降溫系統(tǒng)主要由進(jìn)氣閥、管路等組成，由進(jìn)氣閥從外界取氣，空氣經(jīng)管路、過(guò)濾設(shè)備后分離空氣中的雜質(zhì)、水分，再通過(guò)相關(guān)做功裝置進(jìn)一步降低空氣的溫度，保證系統(tǒng)的冷卻效果。進(jìn)氣閥的進(jìn)氣端口采用S形進(jìn)氣道以提高進(jìn)氣效率和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)S彎進(jìn)氣口的研究較多，設(shè)計(jì)技術(shù)也比較成熟，并且有多種形式的S彎進(jìn)氣口投入了實(shí)際應(yīng)用，但S彎進(jìn)氣口由于彎道作用使得進(jìn)氣道的出口形成渦結(jié)構(gòu)[1-2]，造成進(jìn)氣通道對(duì)飛行攻角等變化比較敏感。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量工作，在進(jìn)氣口前方安裝導(dǎo)流板以減小旋流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)氣道的穩(wěn)定性影響；Lee C C等開(kāi)展了大偏距、短擴(kuò)壓的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)和研究[3]；靖建朋等人針對(duì)S彎進(jìn)氣口開(kāi)展了設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)研究，獲得了進(jìn)氣道性能變化規(guī)律和無(wú)氣流分離的高品質(zhì)流動(dòng)[4-6]。上述研究中使用的減小S彎進(jìn)氣道渦旋的導(dǎo)板、隔道等措施可直接指導(dǎo)本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)性能的改善；對(duì)S彎進(jìn)氣道開(kāi)展亞聲速數(shù)值風(fēng)洞的流場(chǎng)模擬及邊界設(shè)置方法具有借鑒作用。因此，對(duì)于進(jìn)氣閥口的S彎流道氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)、布局、工況、攻角均有較強(qiáng)的相關(guān)性，對(duì)新研發(fā)的進(jìn)氣口開(kāi)展飛行條件下的氣動(dòng)性能和強(qiáng)度性能研究是十分必要的。

本文針對(duì)進(jìn)氣閥口的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，獲得進(jìn)氣閥口總壓恢復(fù)系數(shù)，為下游設(shè)備設(shè)計(jì)提供參數(shù)，并通過(guò)流固耦合方法分析驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

根據(jù)降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)要求，開(kāi)展了進(jìn)氣閥的研發(fā)工作，主要考慮提高亞聲速進(jìn)氣閥口氣動(dòng)性能和減小整體結(jié)構(gòu)尺寸，最終設(shè)計(jì)了一種常開(kāi)式S形進(jìn)氣閥口[7-11]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該進(jìn)氣閥口主要由進(jìn)氣道、托板螺母、鉚釘?shù)冉M成。為保證進(jìn)氣閥口的總壓恢復(fù)系數(shù)，參考亞聲速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)技術(shù)，其中的進(jìn)氣道采用入口為圓角矩形、出口為圓形的S形樣條漸變內(nèi)流道，且入口、出口及流道為等流通面積設(shè)計(jì)；另外，在圓角矩形入口下方設(shè)計(jì)了楔形隔道，消除附面層影響，同時(shí)也可以避免了高速氣流在遇到壁面凸起強(qiáng)烈上旋，出現(xiàn)“堵塞”入口的現(xiàn)象，保證有效進(jìn)氣面積。

圖1 S形進(jìn)氣閥口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of S-shaped valve inlet

2 氣動(dòng)性能數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

為較真實(shí)地模擬進(jìn)氣閥口安裝在固壁上時(shí)氣體流動(dòng)情況，數(shù)值計(jì)算時(shí)增加模擬隔板模型。采用φ600 mm×600 mm的圓柱體作為外流場(chǎng)計(jì)算域，包圍進(jìn)氣閥口模型，構(gòu)成數(shù)值風(fēng)洞，如圖2所示。對(duì)該模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，并對(duì)入口和近壁面部位進(jìn)行局部加密，以保證關(guān)鍵部位的網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)值精度。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，為減小計(jì)算量選取1/2計(jì)算域作為數(shù)值計(jì)算模型[12-13]。

圖2 計(jì)算域幾何模型Fig.2 Geometric model of computational domain

2.2 數(shù)值方法

本文研究的進(jìn)氣閥口氣動(dòng)特性屬于亞聲速可壓縮定常流動(dòng)，故選用壓力基耦合求解器、k-ε雙方程湍流模型求解。邊界條件為：整個(gè)外流場(chǎng)邊界為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件，即來(lái)流0.7Ma、溫度308 K、壓力0.101 325 MPa的指標(biāo)給定工作狀態(tài)來(lái)流條件。

可是，誰(shuí)說(shuō)“可”與“不可”都沒(méi)有用，在詞的演進(jìn)過(guò)程中，整著整著就變化了。先是蘇東坡，后是辛棄疾，把詩(shī)的言志的部分搞入了詞的寫(xiě)作，打破了傳統(tǒng)文人關(guān)于“詩(shī)莊詞媚”的游戲規(guī)則。對(duì)此，有些詩(shī)詞專(zhuān)家贊同，說(shuō)是“一洗綺羅香澤之態(tài)”，不那樣“娘”了，而有的詩(shī)詞專(zhuān)家反對(duì)，認(rèn)為詞的表述就是“娘”的表述，所謂“詩(shī)化”是對(duì)詞的離經(jīng)叛道。清人朱彝尊、汪森編了一本《詞綜》，蘇東坡的詞只選了15首，周邦彥卻選了37首，人們耳熟能詳?shù)脑里w的《滿(mǎn)江紅》根本沒(méi)能入選，理由是他們的詞太詩(shī)了。

來(lái)流條件恒定時(shí)，進(jìn)氣閥口的進(jìn)氣流量主要與其下游負(fù)載有關(guān)，故本文采用設(shè)置出口背壓的方法來(lái)模擬不同流量，進(jìn)而計(jì)算不同流量下的總壓恢復(fù)系數(shù)。本文計(jì)算模型中出口背壓設(shè)為0.128 000～140 000 MPa范圍內(nèi)的7個(gè)點(diǎn)。

數(shù)值收斂問(wèn)題及處理[14]：對(duì)于該亞聲速可壓縮定常流動(dòng)問(wèn)題的求解，若采用通常的全域初始化，易出現(xiàn)數(shù)值發(fā)散現(xiàn)象，難以收斂。故在初始化時(shí)采用FMG初始化方法，以獲得更好的初始流場(chǎng)，進(jìn)而在較大的庫(kù)朗數(shù)下啟動(dòng)，在較少的迭代次數(shù)內(nèi)獲得收斂。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

不同攻角(-2.5°、0°、5°)下[15]，進(jìn)氣閥口氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果如表1所示，0°、182 kg/h工況下總壓分布云圖如圖3所示。結(jié)果表明：進(jìn)氣閥口在額定流量時(shí)，總壓損失約0.750～1.970 kPa，總壓恢復(fù)系數(shù)約0.976～0.997，滿(mǎn)足不小于0.95技術(shù)要求。

表1 氣動(dòng)性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.1 Simulation results of aerodynamic performance

3 耦合強(qiáng)度數(shù)值模擬

對(duì)于進(jìn)氣閥口隨飛行裝置飛行時(shí)的強(qiáng)度問(wèn)題，若采用常規(guī)的直接加載壓力邊界條件方法，很難真實(shí)模擬其工作狀態(tài)下的介質(zhì)作用力。近年來(lái)，隨著計(jì)算科學(xué)與數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，流固耦合受到了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。流固耦合問(wèn)題是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門(mén)力學(xué)分支，同時(shí)也是多學(xué)科或多物理場(chǎng)研究的一個(gè)重要分支，它是研究可變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形對(duì)流體影響二者相互作用的一門(mén)學(xué)科。從數(shù)據(jù)傳遞角度出發(fā)，流固耦合分析可以分為單向流固耦合分析和雙向流固耦合分析。本文所研究進(jìn)氣閥口設(shè)計(jì)強(qiáng)度裕度較大且介質(zhì)壓力較小，故結(jié)構(gòu)變形對(duì)流場(chǎng)影響非常小，以致對(duì)流體分析影響可以忽略不計(jì)，適宜采用單向流固耦合方法。

以ANSYS Workbench平臺(tái)建立如圖4所示的單向流固耦合強(qiáng)度分析模型，將流體計(jì)算獲得的流固界面壓力分布結(jié)果作為強(qiáng)度計(jì)算邊界條件，采用插值映射方法加載到進(jìn)氣閥口壁面，如圖5所示。

圖4 單向流固耦合強(qiáng)度分析模型Fig.4 Strength analysis model of one-way fluid-structure interaction

圖5 界面壓力映射Fig.5 Pressure mapping on interface

以表1中序號(hào)2、9、16三個(gè)近額定流量工況、不同攻角下，氣動(dòng)性能仿真得出的進(jìn)氣閥口壁面壓力分布結(jié)果作為強(qiáng)度計(jì)算邊界條件，插值映射加載到進(jìn)氣閥口壁面，則進(jìn)氣閥口強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果為：0°攻角最大應(yīng)力為7.57 MPa(見(jiàn)圖6)、-2.5°攻角最大應(yīng)力為7.67 MPa、5.0°攻角最大應(yīng)力為7.61 MPa，而鑄件力學(xué)性能測(cè)試抗拉強(qiáng)度大于等于305 MPa，故具有較大的設(shè)計(jì)強(qiáng)度安全裕度，并經(jīng)下文風(fēng)洞試驗(yàn)考核結(jié)構(gòu)完好無(wú)損?？紤]到異形薄壁鑄件的工藝性和后續(xù)機(jī)械加工的整體剛度，故進(jìn)氣閥口壁厚不再進(jìn)一步減薄。從應(yīng)力分布云圖和變形可知，由于進(jìn)入進(jìn)氣閥口的流量相對(duì)較小，而外壁面附近流速較高，局部接近聲速，內(nèi)壁面靜壓較外壁面要高，故進(jìn)氣閥口上壁面表現(xiàn)為向外變形，與實(shí)際情況相符。

圖6 0°攻角、182 kg/h流量工況計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力 分布云圖(MPa)Fig.6 Structural stress distribution (MPa) at 0° attack angle and 182 kg/h flow rate

4 試驗(yàn)研究

為了獲得進(jìn)氣閥口實(shí)際工作狀態(tài)下的性能，本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)[16-18]考核進(jìn)氣閥口的氣動(dòng)性能。試驗(yàn)條件為來(lái)流0.7Ma，攻角分別為-2.5°、0°、5°，基于自由流條件的單位長(zhǎng)度雷諾數(shù)范圍為14.19×106～14.27×106m-1。

4.1 試驗(yàn)原理、設(shè)備及模型

風(fēng)洞試驗(yàn)裝置原理如圖7所示，主要包括：風(fēng)洞、測(cè)壓系統(tǒng)、進(jìn)錐系統(tǒng)、測(cè)壓盤(pán)、轉(zhuǎn)接段、進(jìn)氣閥口、隔板等設(shè)備儀器。試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)錐開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)引入進(jìn)氣閥口的流量，出口處氣流參數(shù)采用測(cè)壓耙測(cè)量(包括4個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)、9個(gè)總壓測(cè)點(diǎn))，具體風(fēng)洞試驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)原理圖及參數(shù)測(cè)點(diǎn)Fig.7 Test schematic diagram and measure points

試驗(yàn)采用一座半回流暫沖式亞、跨、超聲速風(fēng)洞，其試驗(yàn)段橫截面尺寸為0.6 m×0.6 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為1.575 m。試驗(yàn)來(lái)流范圍為0.4～4.45Ma，攻角范圍為-15°～15°，加預(yù)偏拐接頭后攻角范圍可實(shí)現(xiàn)0°～30°。亞、跨聲速試驗(yàn)時(shí)，用聲速?lài)姽芡ㄟ^(guò)改變前室總壓的方法可得到不同馬赫數(shù)(0.4～1.2Ma)，此時(shí)試驗(yàn)段上、下壁為直孔壁板，其開(kāi)閉比為24.2%。風(fēng)洞兩側(cè)壁各有2個(gè)觀察窗，可用于試驗(yàn)觀察或紋影儀拍攝流場(chǎng)。風(fēng)洞具有自動(dòng)控制和測(cè)試系統(tǒng)，并配有專(zhuān)用的數(shù)據(jù)檢測(cè)處理系統(tǒng)。可把一次儀表(天平及各種壓力、溫度和角度傳感器等)所感應(yīng)的物理量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過(guò)快速巡回檢測(cè)裝置直接輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)機(jī)處理。

圖8 氣動(dòng)性能試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.8 Device of aerodynamic performance test

風(fēng)洞試驗(yàn)采用進(jìn)氣閥口實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，為實(shí)現(xiàn)其出口與風(fēng)洞進(jìn)氣道進(jìn)錐系統(tǒng)連接，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了測(cè)壓盤(pán)、變截面管道等工裝(見(jiàn)圖8)。在溫度308 K的0.7Ma來(lái)流條件下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，獲取引氣流量100～300 kg/h范圍內(nèi)，3種攻角狀態(tài)(0°、-2.5°、5°)下的進(jìn)氣閥口出口壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)獲得的3個(gè)攻角狀態(tài)下、9個(gè)錐位下的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。由于風(fēng)洞條件下和飛行條件下流量的存在一定的差異，本文通過(guò)推導(dǎo)獲得兩者的換算系數(shù)。

在風(fēng)洞條件下，已知條件為來(lái)流總壓p0和總溫T0，則入口捕獲流量

(1)

式中：k為氣體比熱比；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T0為來(lái)流總溫，K；p0為來(lái)流總壓， MPa；M為來(lái)流馬赫數(shù)，Ma；A0為入口捕獲面積，m2。

在飛行條件下，已知條件為來(lái)流靜壓為大氣壓pa、來(lái)流靜溫為大氣溫度Ta，則入口捕獲流量

(2)

式中：Ta為來(lái)流靜溫，K；pa為來(lái)流靜壓， MPa。

因此，風(fēng)洞條件和飛行條件下，流量存在一個(gè)比值

(3)

如：M=0.7Ma時(shí)，風(fēng)洞來(lái)流總壓約為0.115 MPa，總溫為大氣溫度300 K，實(shí)際飛行時(shí)，來(lái)流靜壓為大氣壓0.101 325 MPa，靜溫為大氣溫度308 K，則比值

(4)

故對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中給出的是風(fēng)洞條件下出口的氣體流量進(jìn)行換算。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

按前述試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法獲得飛行條件下不同攻角、流量下的氣動(dòng)性能，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖(T—試驗(yàn)、S—計(jì)算)Fig.9 Comparison of test data and simulation results (T-test，S-simulation)

從圖9中可以看出：出口流量在100～300 kg/h內(nèi)變化時(shí)，總壓恢復(fù)系數(shù)始終大于0.95；額定流量160 kg/h時(shí)的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.978～0.999，表明進(jìn)氣閥口的氣動(dòng)性能滿(mǎn)足要求，且具有一定的設(shè)計(jì)裕度。同時(shí)，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，兩者吻合度較好，偏差在1.2%以?xún)?nèi)，說(shuō)明建立的數(shù)值仿真模型可以較真實(shí)地反映進(jìn)氣閥口工作狀態(tài)下的氣動(dòng)性能。由于0°、-2.5°攻角下進(jìn)氣閥口出口存在一定的旋流(氣動(dòng)性能數(shù)值流場(chǎng)下觀察)，而試驗(yàn)時(shí)由于支撐結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)等安裝原因[19-20]，測(cè)壓點(diǎn)后移，導(dǎo)致流動(dòng)略恢復(fù)平穩(wěn)，故導(dǎo)致該2種工況下的試驗(yàn)總壓恢復(fù)系數(shù)在大流量下偏高。

另外，該進(jìn)氣閥口經(jīng)不同攻角、流量下的風(fēng)洞試驗(yàn)考核，試后結(jié)構(gòu)完好無(wú)損。

5 結(jié)論

本文以數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法對(duì)進(jìn)氣閥口氣動(dòng)性能和耦合強(qiáng)度分析，主要得到以下結(jié)論：

1)S形進(jìn)氣閥口在來(lái)流0.7Ma、流量100～300 kg/h條件下，3種攻角(-2.5°、0°、5°)狀態(tài)的總壓恢復(fù)系數(shù)均大于0.95；在額定流量(160 kg/h)時(shí)的總壓恢復(fù)系數(shù)約為0.978～0.999，表明進(jìn)氣閥口的氣動(dòng)性能良好。

2)S形進(jìn)氣閥口氣動(dòng)性能數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：本文采用的壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界、背壓法模擬流量、全場(chǎng)初始化的數(shù)值計(jì)算方法合理可行，吻合度較好，該數(shù)值方法可以應(yīng)用于其他類(lèi)似進(jìn)氣道的氣動(dòng)性能分析。

3)應(yīng)用流固界面壓力插值映射的單向流固耦合方法獲得了S形進(jìn)氣閥口的實(shí)際載荷強(qiáng)度，結(jié)果表明：進(jìn)氣閥口在不同攻角、流量下強(qiáng)度安全裕度滿(mǎn)足要求，并經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)考核結(jié)構(gòu)完好無(wú)損。