摘   要：在高超聲速風(fēng)洞中，采用蓄熱式加熱器是獲得高焓純凈來(lái)流氣體最具優(yōu)勢(shì)的方法之一。針對(duì)高超聲速風(fēng)洞蓄熱式加熱器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中存在蓄熱體開(kāi)裂損壞問(wèn)題，采用仿真軟件對(duì)該開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行了熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，并分析了裂紋的形成機(jī)理及其影響因素。模擬及分析結(jié)果表明，蓄熱體裂紋產(chǎn)生的主要原因是蓄熱體開(kāi)孔布局不合理導(dǎo)致的局部高溫?zé)釕?yīng)力作用；蓄熱體開(kāi)裂是由于疲勞斷裂產(chǎn)生的，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中最大熱應(yīng)力值已超過(guò)其抗彎強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與蓄熱體實(shí)際損壞情況相一致，說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果準(zhǔn)確反映了蓄熱式加熱器中蓄熱體產(chǎn)生裂紋的原因。此外，對(duì)蓄熱體的改進(jìn)優(yōu)化及未來(lái)研究方向提出3點(diǎn)建議，可為高超聲速蓄熱式風(fēng)洞加熱器中的蓄熱體工程設(shè)計(jì)與改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

01 引言

3. 1 不同時(shí)刻的蓄熱體溫度場(chǎng)

在有限元分析軟件中，完成蓄熱體模型的前處理和邊界條件設(shè)定后，再進(jìn)行設(shè)置求解器進(jìn)行求解，研究蓄熱體在試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。為了分析蓄熱體在高超聲速風(fēng)洞蓄熱式加熱器長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化的情況，本文首先研究計(jì)算了蓄熱體在10~50s的溫度場(chǎng)分布情況。 

50s時(shí)刻的蓄熱體溫度分布如圖7所示，由圖可知，在12m/s的常溫氮?dú)膺M(jìn)入蓄熱體進(jìn)行換熱后，50s時(shí)刻的最高溫度約為2752K，最低溫度約為1778K，最高溫與最低溫的溫差較大，并且有氣體流道的區(qū)域，石墨冷卻速度較快。而蓄熱體的邊緣位置由于沒(méi)有流道且壁厚比較厚，該部分的熱量需要通過(guò)熱傳遞的形式傳遞出來(lái)，傳熱過(guò)程比較慢。這說(shuō)明蓄熱體內(nèi)部由于強(qiáng)制對(duì)流換熱速率過(guò)快，石墨蓄熱體承受著急劇的溫度變化。對(duì)于蓄熱體有無(wú)氣流道的邊緣區(qū)域，溫差的變化幅值很大，蓄熱體在徑向方向上呈現(xiàn)溫度梯度型的分布規(guī)律，這說(shuō)明蓄熱體開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的不合理性。

圖7 50s時(shí)刻的蓄熱體溫度分布云圖

為了進(jìn)一步分析試驗(yàn)過(guò)程中，蓄熱體在常溫氮?dú)鈱?duì)流換熱的作用下，最高溫度與最低溫度隨著時(shí)間的變化情況，本文分析了蓄熱體瞬態(tài)下10~50s的溫差變化曲線圖，如圖8所示。

圖8 蓄熱體最高溫與最低溫隨時(shí)間的變化曲線

從計(jì)算結(jié)果可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，蓄熱體溫度在急劇降低，最高溫與最低溫的溫差值不斷增大，其溫差變化幅值也不斷增大，在50s時(shí)刻的最大溫差值為974.67K，與10s時(shí)刻的溫差相比，溫差的變化量增加了大約69%。這 說(shuō)明隨著試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的增大，蓄熱體由于溫差變化大，存在內(nèi)部因收縮或膨脹受阻產(chǎn)生熱應(yīng)力的現(xiàn)象。

3. 2  不同時(shí)刻的蓄熱體熱應(yīng)力場(chǎng)

為了探究蓄熱體損壞的原因，本節(jié)在溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，添加了位移約束，將蓄熱體的外壁面定義為零位移約束，即固定蓄熱體邊界的位移 u=0，以保證模型在計(jì)算分析中不會(huì)產(chǎn)生剛性位移。其中，蓄熱體最大應(yīng)力的區(qū)域及時(shí)刻如圖9所示。

圖9   蓄熱體不同時(shí)刻的熱應(yīng)力云圖

由圖 9 可知，蓄熱體在30s 時(shí)刻前的熱應(yīng)力基本低于等靜壓石墨蓄熱體在高溫下的抗彎強(qiáng)度38MPa，僅有少量的局部區(qū)域的熱應(yīng)力大于38MPa，最大熱應(yīng)力約為 39. 259MPa，出現(xiàn)在蓄熱體有氣流和無(wú)氣流道的邊緣區(qū)域。結(jié)果表明，由于蓄熱體結(jié)構(gòu)的影響，在服役至 30s 時(shí)刻，蓄熱體承受溫度激烈變化而引起內(nèi)部溫度梯度過(guò)大，其內(nèi)部各部分之間由于不能完全自由膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力超過(guò)等靜壓石墨材料的強(qiáng)度極限，造成了蓄熱體的損壞。

蓄熱體最 大熱應(yīng)力與平均熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖10所示，由圖可知隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，蓄熱體的最大熱應(yīng)力在急劇增加，尤其在30s 后，蓄熱體局部最大熱應(yīng)力始終在不斷增大，已遠(yuǎn)超過(guò)蓄熱體材料自身的抗彎強(qiáng)度極限。蓄熱體的平均熱應(yīng)力雖然也在不斷增大，但變化幅值小。此外，平均熱應(yīng)力均在15MPa以下，均不超過(guò)等靜壓石墨材料的抗彎強(qiáng)度極限。這與圖8的溫差增大趨勢(shì)相一致，這說(shuō)明正是由于溫差過(guò)大造成蓄熱體的局部熱應(yīng)力過(guò)大。

圖10    蓄熱體最大熱應(yīng)力與平均熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3. 3  氣流速度對(duì)蓄熱體熱應(yīng)力的影響

在高焓純凈風(fēng)洞加熱器中，氣體入口速度的大小將直接影響到氣體與蓄熱體之間強(qiáng)制對(duì)流換熱強(qiáng)度，在一定范圍內(nèi)，換熱效果與入口速度大小成正比。為了研究不同入口速度大小對(duì)蓄熱體熱應(yīng)力的影響，本節(jié)分別采用不同入口速度的工況條件，如表 2 所示。

表 2   不同的入口速度及強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)

不同入口速度的溫差變化如圖11所示，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，入口速度越大，蓄熱體的最高溫度與最低溫度的差值越大。在50s的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，入口速度為4m/s和8m/s時(shí)，溫差值800K以內(nèi)；入口速度為12m/s、16m/s和20m/s時(shí)，其溫差值均超過(guò)800K。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，入口速度的增大必定會(huì)引起溫差值增大的趨勢(shì)，即入口速度越大，蓄熱體產(chǎn)生局部熱應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致蓄熱體開(kāi)裂的可能性便越高。

圖11　不同入口速度的溫差變化曲線

不同入口速度下蓄熱體中心軸線上熱應(yīng)力的變化情況如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)：蓄熱體的熱應(yīng)力變化與溫差變化的趨勢(shì)相近似，均是隨著氣體入口速度的增大而增大，這是由于入口速度大小與蓄熱體熱應(yīng)力的主要影響反映在氣體與蓄熱體之間溫度變化速率方面，氣流速度越大，則蓄熱體的溫差變化就越大，對(duì)蓄熱體的熱沖擊就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致蓄熱體的熱應(yīng)力局部過(guò)大，產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。

 此外，由圖12可知，在0~50mm的高度上，熱應(yīng)力是在逐漸增大，這是由于蓄熱體迎風(fēng)面的整體溫度被均勻冷卻，而在50~200mm的高度上，熱應(yīng)力趨于平緩且有所降低，這是因?yàn)?0mm高度以上的蓄熱體溫差變化較為一致。 

圖12　不同入口速度的熱應(yīng)力變化曲線

綜上所述，入口氣流速度越大，會(huì)對(duì)蓄熱體 的溫差變化、熱應(yīng)力分布情況造成顯著的影響。在實(shí)際的試驗(yàn)工況下，入口速度過(guò)快，一定程度上會(huì)引起石墨蓄熱體的表層剝落，影響風(fēng)洞試驗(yàn)的氣體潔凈度。但為了保證氣體供應(yīng)的充足性，若采用降低入口速度的方案，必定會(huì)增加蓄熱體的橫截面面積，進(jìn)而增加其制造及加工成本。因此，氣體速度的選擇，要根據(jù)實(shí)際的工況需求、蓄熱體實(shí)際的結(jié)構(gòu)、溫度變化情況等進(jìn)行合理的選擇。

3. 4  對(duì)比分析及優(yōu)化展望

在高焓純凈風(fēng)洞加熱器中，為了提高蓄熱體的耐高溫性能，蓄熱體主要采用氧化鋁、石墨及氧化鋯等蓄熱材料，但是這些蓄熱材料制備的蓄熱體對(duì)熱應(yīng)力的抵抗能力較差，主要的損傷情形為：腐蝕、開(kāi)裂、氧化及剝落等，具體的蓄熱材料損傷形式如表3所示。

表3　蓄熱材料的損傷形式

為了進(jìn)一步了解蓄熱體損壞的原因，同時(shí)驗(yàn)證本文仿真結(jié)果的可靠性，綜合上述仿真計(jì)算的結(jié)果，與蓄熱體實(shí)際損壞的情況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13所示。由圖可知，在試驗(yàn)50s的時(shí)刻，仿真結(jié)果顯示出有無(wú)氣流道的邊緣區(qū)域，其應(yīng)力值均在40MPa以上，已超過(guò)石墨材料的自身抗彎強(qiáng)度極限，而對(duì)比實(shí)際試驗(yàn)50s的石墨蓄熱體，其開(kāi)裂的現(xiàn)象也是在邊緣的區(qū)域產(chǎn)生開(kāi)裂導(dǎo)致的。這正是由于蓄熱體開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的不合理性，導(dǎo)致蓄熱體內(nèi)部的溫差較大，從而產(chǎn)生局部較大的熱應(yīng)力。

圖13　數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際損壞情況對(duì)比

蓄熱體的裂紋類型屬于疲勞斷裂，疲勞斷裂不同于一般的靜力斷裂，它是由于溫差的影響，損傷到一定程度后，蓄熱體在工況下不斷發(fā)生收縮，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展到一定程度后才發(fā)生的斷裂。與實(shí)際情況比較后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際損壞情況與數(shù)值模擬結(jié)果相一致，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可以準(zhǔn)確反映出蓄熱式加熱器中蓄熱體產(chǎn)生裂紋的原因，可為高超聲速蓄熱式風(fēng)洞加熱器中的蓄熱體工程設(shè)計(jì)及改進(jìn)研究提供有益的參考。

 縱觀國(guó)內(nèi)外主要的高超聲速風(fēng)洞，加熱器呈現(xiàn)出高焓、高壓、多模態(tài)及長(zhǎng)時(shí)間工作的發(fā)展趨勢(shì)，后期建設(shè)的風(fēng)洞趨于采用蓄熱式加熱器，因此，蓄熱體的研制與改進(jìn)優(yōu)化尤為關(guān)鍵。在未來(lái)的研究中，蓄熱體設(shè)計(jì)是面向工程研制的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，其改進(jìn)優(yōu)化應(yīng)朝著以下3個(gè)方面深入發(fā)展：

（1）高溫蓄熱材料的選擇。根據(jù)風(fēng)洞性能指標(biāo)要求，選擇滿足需求的蓄熱材料，例如：氧化鋯、石墨及氧化鋁等材料，同時(shí)滿足熱容大、蠕變小、耐冷熱激變等使用要求。此外，需考慮蓄熱材料的漂浮問(wèn)題，根據(jù)風(fēng)洞的最大流量，選擇的蓄熱材料應(yīng)有足夠的密度與質(zhì)量，避免損壞加熱器。

（2）蓄熱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。蓄熱體的孔型、開(kāi)孔率、孔徑及蓄熱體的整體高度選擇，均需要多方面的折衷考慮，良好的蓄熱體結(jié)構(gòu)不僅要在短時(shí)間內(nèi)完成大量換熱，而且應(yīng)避免蓄熱體整體溫差大，進(jìn)而降低蓄熱體產(chǎn)生的熱應(yīng)力。蜂窩型的蓄熱體，采用圓柱形氣體通道，可緩解蓄熱體的應(yīng)力集中，并且不易產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，已成為國(guó)內(nèi)外高溫蓄熱式加熱器的首選結(jié)構(gòu)，但仍需大量研究以取得進(jìn)一步突破，是未來(lái)發(fā)展的主要方向。 

（3）結(jié)合模擬仿真的改進(jìn)設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬與蓄熱體設(shè)計(jì)研究的組合發(fā)展勢(shì)頭良好，擁有十分可觀的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域均廣泛采用數(shù)值仿真技術(shù)為先進(jìn)設(shè)計(jì)工具與方法，可以很大程度上縮短研發(fā)周期，對(duì)蓄熱體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)效能實(shí)現(xiàn)均有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。