材料相變對燃?xì)舛螄娚湎到y(tǒng)熱防護(hù)作用研究力學(xué)大會集ms7625

楊澤南，王革，馬繼（哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑學(xué)院，哈爾濱摘楊澤南，王革，馬繼（哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑學(xué)院，哈爾濱摘關(guān)鍵詞固體火箭發(fā)動機(jī)，燃?xì)舛螄娚?，松耦合，熱?yīng)引、俄羅斯的“白楊”導(dǎo)彈基于上述考慮計(jì)算方法，運(yùn)用為流場計(jì)算軟件和結(jié)構(gòu)場計(jì)算軟件S的數(shù)據(jù)交換平臺，研究鎢滲銅材料潛熱對燃?xì)忾y在高溫流場中工作時(shí)所受熱應(yīng)力及溫度峰值的影響，研究結(jié)果可以為燃?xì)舛螄娚湎到y(tǒng)燃?xì)忾y的設(shè)計(jì)工作提供參考。本文中流場計(jì)算采用k-ε模型，該模型中k方程和ε方程如公式(1)和(2)+G-σ k jjjμ?μ+t+ρC1Sε-C+= σεK+1.2u-u?j u-j )auj+1-u=1.2u-u?j u-j )auj+1-u=jDt?-nn=uDxj-1j j+ 2=1-+jununnf-2jjj+1/jj22三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程表達(dá)式為p ii it為時(shí)間T為ρ為材料密cp為材料比熱λi為材料的熱傳導(dǎo)為固體內(nèi)部的熱源密度，無內(nèi)熱源時(shí)Q0μσ Exx 1zεyE1=σz-μσ yE=E=E=Eε=1σ-σTxxyEσσαTyyxE γτ=E 21 + 21 + 1-y12 γ=+ 1.5。TH=T0c*=H-H*cT-T22.1圖1噴管流場和燃?xì)忾y示意2.2應(yīng)用M軟件構(gòu)建流場網(wǎng)格，將整體區(qū)域劃分為3個(gè)部分（見圖2）。由于燃?xì)忾y過程模擬需要應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)閥體周圍采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（、區(qū)域），流場其他區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量300萬左右。在中，選用ek湍流模型，密度基格式，噴管進(jìn)口使用質(zhì)量流量入口條件。圖2流場圖2流場圖3燃?xì)忾y示意本文利用I耦合平臺聯(lián)合流場計(jì)算軟件T和結(jié)構(gòu)場計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬為：預(yù)先在流、固計(jì)算軟件中分別設(shè)置好需要耦合的面，并單獨(dú)求解初始狀態(tài)下流場的流動和溫度分布情況；然后通過軟件將該值后傳遞給有限元結(jié)構(gòu)邊動有限元求解器開始求解結(jié)構(gòu)溫度與熱應(yīng)力變化；求解完成后又通過I將耦合邊界計(jì)算結(jié)果傳遞回流場動軟件的流場與溫度場計(jì)算；如此進(jìn)行反復(fù)交叉迭代，就能夠求解多場耦合問題這種方法能有效利用與在各自領(lǐng)域的強(qiáng)大功能，僅通過接口軟件交換界面上的參數(shù)，計(jì)算結(jié)果的精度能夠得到保證。，現(xiàn)對經(jīng)典圓管氣動加熱問題進(jìn)行仿真。來流Ma6.47，靜溫T241.5K，無限長不鋼圓R38.1mm，內(nèi)半徑r25.4mm，結(jié)構(gòu)初溫294.4K(a)流場(b)結(jié)構(gòu)場圖4圓管繞圖6激波紋影圖7NASA風(fēng)洞試驗(yàn)激波紋影圖8對比文獻(xiàn)結(jié)果與2秒時(shí)刻結(jié)構(gòu)溫度等值線圖9駐點(diǎn)溫度變化曲33800m/s，小孔處結(jié)構(gòu)溫度快速升高，熱量來不及傳導(dǎo)，瞬時(shí)熱應(yīng)力在此處達(dá)到峰值，容計(jì)算燃?xì)忾y潛熱的工況不僅熱應(yīng)力峰值來臨比不計(jì)算潛熱的工況晚值上不計(jì)算潛熱工況也要小，這說明鎢滲銅材料的相變潛熱在燃?xì)忾y工作過程中能夠起到降低熱應(yīng)力的作用；燃?xì)忾y作動一個(gè)周期后靜止，計(jì)算潛熱工況熱應(yīng)力下降幅度沒有不計(jì)算潛熱工況大，但數(shù)值上計(jì)算潛熱工況最大熱應(yīng)力更小一些；待2秒時(shí)刻左右，兩種工況閥門結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力最大值趨于一致，這說明本材料第一次相變所吸收的總熱量有限，只能在一定程度上降低結(jié)構(gòu)所受的最大熱應(yīng)力。因此，可以考慮換一種銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高一些的鎢滲銅材料來設(shè)計(jì)燃?xì)忾y。圖10兩種工況每個(gè)時(shí)刻最大熱應(yīng)力對(a)兩種工況每個(gè)時(shí)刻最高溫度對(b)(a)兩種工況每個(gè)時(shí)刻最高溫度對(b)每個(gè)時(shí)圖11兩種工況每個(gè)時(shí)刻最高溫度對圖12最大變形量對4論獲得2秒時(shí)刻流場激波紋影圖風(fēng)洞試驗(yàn)照片相對比，發(fā)現(xiàn)激波位置較為計(jì)算得到隨時(shí)間推移圓管外壁面溫度分布及2秒時(shí)刻駐點(diǎn)溫度，結(jié)果與文獻(xiàn)對比，誤差在1%以內(nèi)；將2秒時(shí)刻結(jié)構(gòu)的溫度等值線與文獻(xiàn)結(jié)果對比，兩者吻合較好?；谏鲜鼋Y(jié)論夠證明本文所采用的松耦合方法計(jì)算結(jié)果誤差較小，滿足多場耦合問題對計(jì)算精度的要求。比較上述兩種工況中閥門在每個(gè)時(shí)刻的最大熱應(yīng)力、最高溫度及最大變形量，為相變潛熱對閥門作動過程中所受最大熱應(yīng)力和最高溫度有一定限制作用，但作用有限；相變潛熱對閥門受熱膨脹變形的影響較小。吳雄.固體吳雄.固體發(fā)動機(jī)燃?xì)舛螄娚淅碚撆c試驗(yàn)研究.[PhDThesis].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院,李哲,魏志軍,張平劉蘿威攔截導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制系統(tǒng)用復(fù)合材料熱燃?xì)忾y系統(tǒng).飛航導(dǎo)彈,2002(2):陳偉鄺用庚,周武平.中國高溫用鎢銅復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀.稀有金屬材料與工程,2004,33(1):DechaumphaiP,WietingAR,ThorntonEA.Flow-thermal-structuralstudyofaerodynamicallyheatedleadingedges.JournalofSpacecraftandRockets,1989,26(4):201～209STUDYONTHEEFFECTSTUDYONTHEEFFECTOFTHELATENTHEATOFTHEMATERIALSTOTHETHERMALPROTECTIONOFHOTGASSECONDARYINJECTIONSYSTEMYANGWANGMA(1InstituteofAerospaceandBuildingofHarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,AbstractTheproblemofthermalprotectionofhotgasvalveofsolidrocketmotorgassecondaryinjectionhasbeenonedifficultyduringthethedevelopmentofthethrustvectorcontrolsystem.Firstly,wesimulatetheunsteadyprocessofclassicalhypersonicaerodynamicheatingtubetoverifythelooselycoupledmethod,andtheresultsaresimilarwiththeexperiment.Thenweusetheequivalentheatcapacitymethodtodothemulti-fieldcouplingnumericalsimulationoftheworkingprocessofthehotgasvalvemadebythetungsten-copperphase-changematerialandcomparetheresults.Theanalysisshowsthatthelatentheatofmaterialplaysanimportantrol