朱建國，徐向毅，周學(xué)鋒

(1.西安航天動力研究所，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、過濾設(shè)備后分離空氣中的雜質(zhì)、水分，再通過相關(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。

國內(nèi)外對S彎進(jìn)氣口的研究較多，設(shè)計技術(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)氣通道對飛行攻角等變化比較敏感。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量工作，在進(jìn)氣口前方安裝導(dǎo)流板以減小旋流對發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣道的穩(wěn)定性影響；Lee C C等開展了大偏距、短擴(kuò)壓的進(jìn)氣道設(shè)計和研究[3]；靖建朋等人針對S彎進(jìn)氣口開展了設(shè)計、仿真和試驗研究，獲得了進(jìn)氣道性能變化規(guī)律和無氣流分離的高品質(zhì)流動[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，實現(xiàn)了氣動性能的改善；對S彎進(jìn)氣道開展亞聲速數(shù)值風(fēng)洞的流場模擬及邊界設(shè)置方法具有借鑒作用。因此，對于進(jìn)氣閥口的S彎流道氣動性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)、布局、工況、攻角均有較強(qiáng)的相關(guān)性，對新研發(fā)的進(jìn)氣口開展飛行條件下的氣動性能和強(qiáng)度性能研究是十分必要的。

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

1 結(jié)構(gòu)簡介

根據(jù)降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計要求，開展了進(jìn)氣閥的研發(fā)工作，主要考慮提高亞聲速進(jìn)氣閥口氣動性能和減小整體結(jié)構(gòu)尺寸，最終設(shè)計了一種常開式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；另外，在圓角矩形入口下方設(shè)計了楔形隔道，消除附面層影響，同時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 氣動性能數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

為較真實地模擬進(jìn)氣閥口安裝在固壁上時氣體流動情況，數(shù)值計算時增加模擬隔板模型。采用φ600 mm×600 mm的圓柱體作為外流場計算域，包圍進(jìn)氣閥口模型，構(gòu)成數(shù)值風(fēng)洞，如圖2所示。對該模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，并對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)對稱性，為減小計算量選取1/2計算域作為數(shù)值計算模型[12-13]。

圖2 計算域幾何模型Fig.2 Geometric model of computational domain

2.2 數(shù)值方法

本文研究的進(jìn)氣閥口氣動特性屬于亞聲速可壓縮定常流動，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：整個外流場邊界為壓力遠(yuǎn)場條件，即來流0.7Ma、溫度308 K、壓力0.101 325 MPa的指標(biāo)給定工作狀態(tài)來流條件。

可是，誰說“可”與“不可”都沒有用，在詞的演進(jìn)過程中，整著整著就變化了。先是蘇東坡，后是辛棄疾，把詩的言志的部分搞入了詞的寫作，打破了傳統(tǒng)文人關(guān)于“詩莊詞媚”的游戲規(guī)則。對此，有些詩詞專家贊同，說是“一洗綺羅香澤之態(tài)”，不那樣“娘”了，而有的詩詞專家反對，認(rèn)為詞的表述就是“娘”的表述，所謂“詩化”是對詞的離經(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《滿江紅》根本沒能入選，理由是他們的詞太詩了。

來流條件恒定時，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模擬不同流量，進(jìn)而計算不同流量下的總壓恢復(fù)系數(shù)。本文計算模型中出口背壓設(shè)為0.128 000～140 000 MPa范圍內(nèi)的7個點。

數(shù)值收斂問題及處理[14]：對于該亞聲速可壓縮定常流動問題的求解，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。故在初始化時采用FMG初始化方法，以獲得更好的初始流場，進(jìn)而在較大的庫朗數(shù)下啟動，在較少的迭代次數(shù)內(nèi)獲得收斂。

2.3 計算結(jié)果與分析

不同攻角(-2.5°、0°、5°)下[15]，進(jìn)氣閥口氣動性能計算結(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，總壓損失約0.750～1.970 kPa，總壓恢復(fù)系數(shù)約0.976～0.997，滿足不小于0.95技術(shù)要求。

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

3 耦合強(qiáng)度數(shù)值模擬

對于進(jìn)氣閥口隨飛行裝置飛行時的強(qiáng)度問題，若采用常規(guī)的直接加載壓力邊界條件方法，很難真實模擬其工作狀態(tài)下的介質(zhì)作用力。近年來，隨著計算科學(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。流固耦合問題是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流體影響二者相互作用的一門學(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)計強(qiáng)度裕度較大且介質(zhì)壓力較小，故結(jié)構(gòu)變形對流場影響非常小，以致對流體分析影響可以忽略不計，適宜采用單向流固耦合方法。

以ANSYS Workbench平臺建立如圖4所示的單向流固耦合強(qiáng)度分析模型，將流體計算獲得的流固界面壓力分布結(jié)果作為強(qiáng)度計算邊界條件，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2、9、16三個近額定流量工況、不同攻角下，氣動性能仿真得出的進(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)度計算結(jié)果為：0°攻角最大應(yīng)力為7.57 MPa(見圖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)性能測試抗拉強(qiáng)度大于等于305 MPa，故具有較大的設(shè)計強(qiáng)度安全裕度，并經(jīng)下文風(fēng)洞試驗考核結(jié)構(gòu)完好無損?？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，與實際情況相符。

圖6 0°攻角、182 kg/h流量工況計算結(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 試驗研究

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

4.1 試驗原理、設(shè)備及模型

風(fēng)洞試驗裝置原理如圖7所示，主要包括：風(fēng)洞、測壓系統(tǒng)、進(jìn)錐系統(tǒng)、測壓盤、轉(zhuǎn)接段、進(jìn)氣閥口、隔板等設(shè)備儀器。試驗中通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)錐開度來調(diào)節(jié)引入進(jìn)氣閥口的流量，出口處氣流參數(shù)采用測壓耙測量(包括4個靜壓測點、9個總壓測點)，具體風(fēng)洞試驗裝置如圖8所示。

圖7 試驗原理圖及參數(shù)測點Fig.7 Test schematic diagram and measure points

試驗采用一座半回流暫沖式亞、跨、超聲速風(fēng)洞，其試驗段橫截面尺寸為0.6 m×0.6 m，試驗段長度為1.575 m。試驗來流范圍為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現(xiàn)0°～30°。亞、跨聲速試驗時，用聲速噴管通過改變前室總壓的方法可得到不同馬赫數(shù)(0.4～1.2Ma)，此時試驗段上、下壁為直孔壁板，其開閉比為24.2%。風(fēng)洞兩側(cè)壁各有2個觀察窗，可用于試驗觀察或紋影儀拍攝流場。風(fēng)洞具有自動控制和測試系統(tǒng)，并配有專用的數(shù)據(jù)檢測處理系統(tǒng)?？砂岩淮蝺x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，通過快速巡回檢測裝置直接輸入計算機(jī)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)機(jī)處理。

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

風(fēng)洞試驗采用進(jìn)氣閥口實驗產(chǎn)品，為實現(xiàn)其出口與風(fēng)洞進(jìn)氣道進(jìn)錐系統(tǒng)連接，專門設(shè)計了測壓盤、變截面管道等工裝(見圖8)。在溫度308 K的0.7Ma來流條件下進(jìn)行風(fēng)洞試驗，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)氣閥口出口壓力測點數(shù)據(jù)。

4.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

對獲得的3個攻角狀態(tài)下、9個錐位下的測點數(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為來流總溫，K；p0為來流總壓， MPa；M為來流馬赫數(shù)，Ma；A0為入口捕獲面積，m2。

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

(2)

式中：Ta為來流靜溫，K；pa為來流靜壓， MPa。

因此，風(fēng)洞條件和飛行條件下，流量存在一個比值

(3)

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

(4)

故對試驗數(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 試驗結(jié)果和討論

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

圖9 試驗數(shù)據(jù)、計算結(jié)果對比圖(T—試驗、S—計算)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，總壓恢復(fù)系數(shù)始終大于0.95；額定流量160 kg/h時的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.978～0.999，表明進(jìn)氣閥口的氣動性能滿足要求，且具有一定的設(shè)計裕度。同時，數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比可知，兩者吻合度較好，偏差在1.2%以內(nèi)，說明建立的數(shù)值仿真模型可以較真實地反映進(jìn)氣閥口工作狀態(tài)下的氣動性能。由于0°、-2.5°攻角下進(jìn)氣閥口出口存在一定的旋流(氣動性能數(shù)值流場下觀察)，而試驗時由于支撐結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)等安裝原因[19-20]，測壓點后移，導(dǎo)致流動略恢復(fù)平穩(wěn)，故導(dǎo)致該2種工況下的試驗總壓恢復(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)洞試驗考核，試后結(jié)構(gòu)完好無損。

5 結(jié)論

本文以數(shù)值模擬和試驗研究的方法對進(jìn)氣閥口氣動性能和耦合強(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)氣閥口的氣動性能良好。

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

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)度安全裕度滿足要求，并經(jīng)風(fēng)洞試驗考核結(jié)構(gòu)完好無損。