风洞用高参数热风阀多物理场耦合数值分析

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M ulti-Physics Field Numerical Simulationon the High Parameter W ind Tunnel Hot Blast ValvesW ANG Peng ，YU Jian.ping ，ZHANG Xi-heng ，YU Long ，LI Bao-sheng、 (1.Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Zhejiang Peochemical Valve Co.Ltd，Wenzhou 325024，China)Abstract：W orking condition and technical data of hot blast valve used under high temperature and con-ditions are introduced.Physical mode1.mathematica1 mode1 and boundary conditions are put forward。

The velocity field，temperature field，stress-strain field of valve is calculated by Finite volume method(FVM)and finite element method(FEM).The air maximum velocity，average surface temperature ofvalve surface，local point of max imum stress is calculated.ValveS Mechanical process and craft is de-termined。

Key words：wind tunnel hot blast；numerical simulation；multi-physics field coupling；CATl 概述风洞设备及其相关的设计制造技术是国防尖端科技的基础，也是世界各国国防工业 的核心技术 ]。风洞热风阀安装在风洞储能装置加热室的出口，是-种可承受高温、高压的截止性质的阀门。

当风洞储能装置内空气压力和温度达到-定数值时，风洞阀快速开启，并在阀后的拉伐尔喷管内形成高超声速气流，以此冲击发动机进行实验。在风洞实验过程中，高温高压空气流经阀体 ，阀体承受着高压及温差应力的作用，对阀体结构的合理设计关系着风洞系统的安全性。

传统的高参数阀门多采用经验公式法进行设计，由于经验公式法涉及到的变量较少，很难对阀体结构进行定量优化。数值计算法可对阀门的流态、热态、应力态等多种状态进行模拟分析，从而得到优化的结构，但涉及到的流固热多物理愁合如何实现还有待探究 。

2 多物理愁合数学模型热风阀主体结构为钢材，为了隔热在阀体内壁衬有隔热材料。阀座密封面处采用热喷涂工艺，基材为阀体用钢材，用水冷方式降低阀座温度。

分析阀体受热过程可知，阀内流动的是洁净的高温空气，可不考虑气体向阀体内壁的热辐射。高温空气以对流形式，将热量传递给隔热材料，隔热材料和阀体以热传导的形式将热量传至阀体表面，最终以对流方式将热量传给环境大气。由于热风阀阀体内空气流速不同，导致阀体各部位换热程度不同，从而引起温差应力。因而阀体的安全性问题是流作者简介：王鹏(1964-)，男，陕西西安人，工程师，从事工程建设暖通给排水技术管理工作。

2013年第3期 阀 门 - 27-动、传热及应力等物理愁合的结果。准确计算流动状态及合理处理边界层传热是关键。

2.1 流体区域流动数学模型空气区域的流动采用标准模型，运用方程连续性方程： (JD.)0dt dx ；动量方程：詈(pi)轰(p i) ( ：毒[p6 (誊善)七方程：詈( ) (pUjk)剥tzm /k1G-p8方程：云(P ) (pUj8)杀[( )寒]詈(c G-c )式中 。 --有效粘度eff TG--湍动能生成项G[ (善簧)- j]誊2.2 固体区域传热数学模型0( 筹2.3 流体近壁区的处理近壁区流体流动有两种处理方式，-种是采用低 R 数 k-s模型直接求解边界层内流动，另-种是不直接求解流体区域而采用已知函数法求解边界层内速度分布，也称壁函数法。直接求解计算存储量大和计算时间长，壁函数法可大大减少计算工作量并适用于复杂结构的边界条件。由于阀体结构复杂，采用壁函数法是较为可行的计算方案。

在获得了边界层内流动的分布状态后，可根据相似性原理求得边界层内温度分布。

2.4 热场与热应力场求解的计算方法当物体各部分温度发生变化时，物体将由于热变形而产生线应变OL(T-To)，其中OL是材料的线膨胀系数， 为弹性体内任-点现在的温度值， 为初始温度值。

如果物体各部分的热变形不受任何约束时，则物体上由变形而不引起应力。但是物体由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时，则在物体中产生应力。物体由于温度变化而引起的应力称为热应力”或温度应力”。当弹性体的温度场 已经求得时，就可以进-步求出弹性体各部分的热应力。

这种由于热变形产生的应变可以看作是物体的初应变，计算热应力时只需计算初热变形引起的初应变占。，求得相应的初应变引起的等效结点位移 Cl，然后可以由a求得热应力 o。也可以将热变形引起的等效结点载荷 P与其他载荷项合在-起，求得包括热应力在内的综合应力。

计算应力时应包括初应变项 D( -s0)其中， 为温度变化引起温度应变，它现在是作为初应变出现在应力应变关系式中，对于三维问题是0 (T-To)[1 1 1 0 0 0]式中 --材料的热膨胀系数，(1/oC)。

如将上式代人虚位移原理表达式J ( -6uTf)dV-Js 50 V 口则可得到包含温度应变在内，用以求解热应力问题的最小未能原理，其泛函表达式为Ⅱ (M)：J(÷s Ds-TD 。-u )dQ-r对上述表达式在求解域 上进行有限元离散，即可求得应力与应变的数值解。

2.5 流场温度场应力愁合方法对微分方程进行离散求解的方法很多 ]。但经过多年的发展，有限容积法(FVM)成为计算流体力学(CFD)和计算传热学(Ⅳ日 )中应用最广泛的数值离散方法，而有限元法(FEA)则成为结构应力及应变的最广泛的使用方法。二者的计算可靠性分别在流体及固体领域均得到了广泛的认可。计算时先使用FVM法对阀内流嘲温度厨行计算，将得到的固体节点温度作为载荷条件加到阀体单元上，并相关施加约束条件后用 FEA法进行阀体的强度及变形分析。

3 物理模型及网格划分阀体结构复杂，按材料种类分为 3个区域(即钢材区、流体区及隔热材料区)。流体区域也可分为 3部分，分别为阀体外壁与阀体相接触的低温空