3D打印高溫合金閥體壁面復(fù)合傳熱系數(shù)研究

高 鑫，蔡大靜，楊 濤，陳 強(qiáng)

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

燃?xì)忾y是火箭固體姿控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，用于控制高溫高壓燃?xì)獾牧髁亢屯〝?，高溫燃?xì)忾y閥體一般由高溫合金材料通過機(jī)械加工或3D打印加工而成。燃?xì)忾y工作工況惡劣，其中閥體需要能夠承受高溫(1000 ℃以上)高壓(10 MPa以上)燃?xì)鉀_刷和產(chǎn)生的應(yīng)力，并確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠。閥體設(shè)計時需要了解閥體工作時溫度分布情況，閥體的熱量來源于閥體內(nèi)部流過的高溫燃?xì)猓瑹崃坑扇細(xì)鈧鬟f給閥體內(nèi)壁包括對流傳熱和熱輻射過程，然后熱量由閥體內(nèi)壁傳向外表面為熱傳導(dǎo)過程。由于閥體內(nèi)壁屬于強(qiáng)制對流，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化范圍較大(為500～35000 W/(m2·K))[1]，因此需要對壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行研究，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，傳熱過程越強(qiáng)烈，傳熱系數(shù)越大，反之則越小。閥體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與燃?xì)獾臏囟?、壓?qiáng)、流速、流量、流動狀態(tài)等因素有密切關(guān)系。獲得傳熱系數(shù)的方法大致分為五種：分析法、實驗法、比擬法、數(shù)值法、仿真法。分析法和比擬法一般無法獲得較為準(zhǔn)確的傳熱系數(shù)，數(shù)值法計算傳熱系數(shù)較為復(fù)雜，因此以下采用實驗與仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行閥體壁面復(fù)合傳熱系數(shù)研究。

1 閥體結(jié)構(gòu)及使用工況

1.1 閥體結(jié)構(gòu)

該閥體為一體化閥體，采用3D打印技術(shù)完成加工，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。所用材料為鎳基高溫合金GH3536。

圖1 閥體結(jié)構(gòu)模型

1.2 使用工況

該閥體作為燃?xì)忾y的組成部分，入口與燃?xì)獍l(fā)生器連接，出口與噴管連接，閥體兩端連電磁鐵。在燃?xì)忾y工作時，高溫(1050 ℃±50 ℃)高壓(4～11 MPa)燃?xì)庥扇肟谶M(jìn)入閥體內(nèi)部，從兩個出口流出。

2 測溫實驗

在進(jìn)行熱試車試驗時，通過熱電偶檢測了閥體表面13個點位(T01～T03)溫度隨時間變化情況，其中(T02/T03)、(T04/T05)、(T06/T07)、(T08/T09)、(T10/T11)、(T12/T13)為對稱點，點位布置如圖1，溫度變化檢測結(jié)果如圖2。燃?xì)饬髁?.33～0.66 kg/s，燃?xì)鈮簭?qiáng)4～11 MPa，燃?xì)鉁囟?050 ℃±50 ℃，環(huán)境溫度18 ℃，高溫燃?xì)獬掷m(xù)時間80 s。

圖2 溫度變化實驗檢測結(jié)果

根據(jù)實驗測試結(jié)果，閥體入口表面(T01)溫度升高最快，在34 s時達(dá)到1040 ℃左右，溫度上升速度依次是閥體入口(T01)、閥體中部(T02、T03)、出口管根部(T06、T07)、閥體兩端和閥體出口(T04、T05、T08、T09)、支撐桿中部(T12、T13)、安裝座(T10、T11)，對稱點溫度變化情況相似。

實驗進(jìn)行到80 s時，閥體入口、閥體中部、出口管根部的最高溫度均達(dá)到了1050 ℃，閥體兩端和閥體出口溫度均達(dá)到了900 ℃，支撐桿中部最高溫度達(dá)到了375 ℃，安裝座表面溫度達(dá)到了75 ℃。

3 仿真分析

將閥體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，利用Fluent模塊進(jìn)行流體仿真，利用Transient Thermal模塊進(jìn)行瞬態(tài)熱力學(xué)仿真，王澤等在研究減速器穩(wěn)態(tài)溫度場時運(yùn)用了ANSYS軟件[2]。閥體材料設(shè)定為高溫合金，導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示，比熱容如圖4所示，表面自然對流傳熱系數(shù)設(shè)定為10 W/(m2·K)。

圖4 高溫合金比熱容變化

3.1 流體仿真

壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系式h=f(u，l，ρ，η，λ，cp)，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體速度、壁面結(jié)構(gòu)、流體密度、動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比定壓熱容等因素有關(guān)[3]。因此首先對閥體內(nèi)壁燃?xì)膺M(jìn)行流體仿真，獲得閥體內(nèi)燃?xì)馑俣熔E線圖(圖5)和絕對壓力分布圖(圖6)。

通過圖5可以看出，閥體內(nèi)部燃?xì)饬魉佥^快，最大流速達(dá)到262 m/s，閥體入口和中部流速較快，閥體兩端流速較慢，最大流速在出口位置。

圖5 閥體內(nèi)燃?xì)馑俣熔E線圖

通過圖6可以看出，閥體內(nèi)部的絕對壓強(qiáng)由入口到出口逐漸降低，入口段的絕對壓強(qiáng)最大，其次是閥體中部的絕對壓強(qiáng)，然后是閥體兩端和出口管中的絕對壓強(qiáng)。

圖6 絕對壓強(qiáng)分布圖

因此，在進(jìn)行閥體熱仿真設(shè)置內(nèi)壁換熱系數(shù)時應(yīng)根據(jù)流體仿真結(jié)果對不同區(qū)域的壁面復(fù)合傳熱系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置原則為綜合考慮燃?xì)饬魉?、壓?qiáng)、流道內(nèi)徑等因素變化情況，復(fù)合傳熱系數(shù)總體變化趨勢為逐漸減小。

3.2 初始熱仿真

根據(jù)閥體內(nèi)部燃?xì)饬魉?、絕對壓強(qiáng)等因素的變化，將閥體內(nèi)壁面分為入口段、閥體中段、閥體兩端、出口管路，如圖7所示。

圖7 閥體內(nèi)壁復(fù)合傳熱系數(shù)分區(qū)設(shè)置示意圖

首先設(shè)置初始壁面復(fù)合傳熱系數(shù)，從入口內(nèi)壁到出口管內(nèi)壁逐漸減小，分別為4000 W/(m2·K)、3000 W/(m2·K)、2000 W/(m2·K)、1000 W/(m2·K)。將環(huán)境(燃?xì)?溫度設(shè)定為1050 ℃，設(shè)定仿真結(jié)束時間為80 s，進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真。初始溫度仿真結(jié)果如圖8所示，各監(jiān)測點溫度變化與實驗測定結(jié)果變化規(guī)律相同，各點溫度逐漸升高，在實驗進(jìn)行至80 s時達(dá)到最高，但是匹配度不高，說明溫升速率不正確，因此需要進(jìn)行溫度匹配熱仿真。

圖8 初始熱仿真結(jié)果

3.3 溫度匹配仿真

進(jìn)行溫度匹配仿真，首先需要根據(jù)仿真結(jié)果與實驗測定結(jié)果進(jìn)行比對，若仿真溫升速率高于實驗測定結(jié)果，則需要減小相應(yīng)部位壁面的復(fù)合傳熱系數(shù)，若仿真溫升速度低于實驗測定結(jié)果，則需要增大相應(yīng)部位壁面的復(fù)合傳熱系數(shù)。使得仿真結(jié)果與實驗結(jié)果匹配良好，則可獲得較為準(zhǔn)確的壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。如圖9所示，是通過匹配仿真后，各部位表面溫度變化仿真結(jié)果與實驗測定結(jié)果的匹配圖(由于對稱點溫度變化基本相同，為便于觀察，取對稱點中的一個進(jìn)行對比，點位號后帶字母F為仿真組，不帶F的為實驗組)。

圖9 閥體表面溫度變化仿真結(jié)果與實驗測定結(jié)果的匹配圖

由圖9可以看出，溫度仿真數(shù)據(jù)與實驗測定數(shù)據(jù)匹配良好，說明相應(yīng)的閥體復(fù)合傳熱系數(shù)值接近真實值。通過匹配仿真獲得的各部位壁面復(fù)合傳熱系數(shù)見表1。

表1 通過匹配仿真獲得的各部位壁面復(fù)合傳熱系數(shù)

4 驗證計算

利用仿真獲得的壁面復(fù)合傳熱系數(shù)，進(jìn)行溫度計算驗證。

首先將閥體模型進(jìn)行簡化，計算入口、閥體中部、閥體兩端、出口管路四處外表面溫度。

通過牛頓加熱公式(1)，可計算閥體內(nèi)壁熱流量。

Φ=AhΔtm

(1)

式中：Φ—熱流量，W；A—壁面面積，m2；h—壁面復(fù)合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm—換熱面A上流體與固體表面平均溫差，℃。

通過公式(1)，計算出各閥體內(nèi)部各部位的熱流量，然后通過穩(wěn)態(tài)傳熱方程(2)，計算出表面溫度。

(2)

式中：to—表面溫度，℃；t∞—內(nèi)壁溫度，℃；δ—壁厚，m；λ—閥體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

聯(lián)立公式(1)、(2)可得到表面溫度計算公式(3)，即溫度由燃?xì)饨?jīng)閥壁傳至壁面的溫度公式。

(3)

將閥體上四部分簡化成如下四部分圓柱體，如圖10所示。

圖10 閥體各部位簡化模型示意圖

計算第10 s時各部分表面溫度，10 s時各部分內(nèi)壁溫度(t∞)分別為859.4 ℃(入口)、630.8 ℃(閥體中部)、504.1 ℃(閥體兩端)、611.3 ℃(出口管)，如圖11所示。

圖11 工作10s時閥體各部位溫度分布

導(dǎo)熱系數(shù)取對應(yīng)的平均值30、21、16、17，復(fù)合換熱系數(shù)見表1，換熱面A上流體與固體表面平均溫差516 ℃，壁厚分別為9.5×10-3m、8.5×10-3m、12.5×10-3m、7×10-3m。

通過公式(3)計算出各部位表面溫度為：676.1 ℃(入口)、424.5 ℃(閥體中部)、143.5 ℃(閥體兩端)、390.5 ℃(出口管)。計算的表面溫度與實驗測定的溫度指標(biāo)吻合(實驗測定的分別為：682 ℃、398 ℃、145 ℃、385 ℃)，準(zhǔn)確率為97.6%，說明通過匹配熱仿真所得到的壁面復(fù)合傳熱系數(shù)可以用于溫度場計算。

5 結(jié)論

通過傳熱實驗、熱仿真和計算，對某3D打印高溫燃?xì)忾y體在高溫高壓燃?xì)庀碌谋诿鎻?fù)合傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究，獲得如下結(jié)論：

1)燃?xì)忾y壁面復(fù)合傳熱系數(shù)隨絕對壓強(qiáng)和燃?xì)饬魉俚臏p小而逐漸減小，隨著流速的增加會有所增加，流速對壁面復(fù)合傳熱系數(shù)的影響能力大于燃?xì)鈮簭?qiáng)對壁面復(fù)合傳熱系數(shù)的影響能力。

2)在入口壓力為4～11 MPa，燃?xì)鉁囟?050 ℃，燃?xì)饬髁繛?.33～0.66 kg/s時，壁面復(fù)合傳熱系數(shù)為950～1058 W/(m2·K)。

3)通過實驗獲得閥體表面溫度數(shù)據(jù)，對ANSYS仿真軟件中的參數(shù)進(jìn)行修改和匹配仿真，可以得到難以通過實驗獲得的壁面復(fù)合傳熱系數(shù)參數(shù)，用該方法獲得的參數(shù)進(jìn)行溫度場計算，平均準(zhǔn)確率達(dá)到97.6%。