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流氣體最具優(yōu)勢的方法之一。針對高超聲速風(fēng)洞蓄熱式加熱器在長時間運(yùn)行過程中存在蓄熱體開裂損壞問題，采用仿真軟件對該開裂現(xiàn)象進(jìn)行了熱應(yīng)力場的數(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孔布局不合理導(dǎo)致的局部高溫?zé)釕?yīng)力作用；蓄熱體開裂是由于疲勞斷裂產(chǎn)生的，在長時間運(yùn)行過程中最大熱應(yīng)力值已超過其抗彎強(qiáng)度。通過對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與蓄熱體實際損壞情況相一致，說明數(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，對蓄熱體的改進(jìn)優(yōu)化及未來研究方向提出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)計與改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

01 引言

3. 1 不同時刻的蓄熱體溫度場

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，研究蓄熱體在試驗過程中的溫度變化。為了分析蓄熱體在高超聲速風(fēng)洞蓄熱式加熱器長時間試驗過程中溫度變化的情況，本文首先研究計算了蓄熱體在10~50s的溫度場分布情況。 

50s時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有流道且壁厚比較厚，該部分的熱量需要通過熱傳遞的形式傳遞出來，傳熱過程比較慢。這說明蓄熱體內(nèi)部由于強(qiáng)制對流換熱速率過快，石墨蓄熱體承受著急劇的溫度變化。對于蓄熱體有無氣流道的邊緣區(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，這說明蓄熱體開孔結(jié)構(gòu)的不合理性。

圖7 50s時刻的蓄熱體溫度分布云圖

為了進(jìn)一步分析試驗過程中，蓄熱體在常溫氮?dú)鈱α鲹Q熱的作用下，最高溫度與最低溫度隨著時間的變化情況，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間的變化曲線

從計算結(jié)果可知，隨著試驗時間的增加，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時刻的最大溫差值為974.67K，與10s時刻的溫差相比，溫差的變化量增加了大約69%。這 說明隨著試驗時長的增大，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  不同時刻的蓄熱體熱應(yīng)力場

為了探究蓄熱體損壞的原因，本節(jié)在溫度場分析的基礎(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，以保證模型在計算分析中不會產(chǎn)生剛性位移。其中，蓄熱體最大應(yīng)力的區(qū)域及時刻如圖9所示。

圖9   蓄熱體不同時刻的熱應(yīng)力云圖

由圖 9 可知，蓄熱體在30s 時刻前的熱應(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 時刻，蓄熱體承受溫度激烈變化而引起內(nèi)部溫度梯度過大，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)力隨時間變化曲線如圖10所示，由圖可知隨著試驗時間的增加，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的溫差增大趨勢相一致，這說明正是由于溫差過大造成蓄熱體的局部熱應(yīng)力過大。

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

3. 3  氣流速度對蓄熱體熱應(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，隨著試驗時間的增加，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的試驗時間內(nèi)，入口速度為4m/s和8m/s時，溫差值800K以內(nèi)；入口速度為12m/s、16m/s和20m/s時，其溫差值均超過800K。計算結(jié)果說明，入口速度的增大必定會引起溫差值增大的趨勢，即入口速度越大，蓄熱體產(chǎn)生局部熱應(yīng)力過大而導(dǎo)致蓄熱體開裂的可能性便越高。

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)力局部過大，產(chǎn)生開裂的現(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，這是因為50mm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，會對蓄熱體 的溫差變化、熱應(yīng)力分布情況造成顯著的影響。在實際的試驗工況下，入口速度過快，一定程度上會引起石墨蓄熱體的表層剝落，影響風(fēng)洞試驗的氣體潔凈度。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)實際的工況需求、蓄熱體實際的結(jié)構(gòu)、溫度變化情況等進(jìn)行合理的選擇。

3. 4  對比分析及優(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熱應(yīng)力的抵抗能力較差，主要的損傷情形為：腐蝕、開裂、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，同時驗證本文仿真結(jié)果的可靠性，綜合上述仿真計算的結(jié)果，與蓄熱體實際損壞的情況進(jìn)行對比分析，如圖13所示。由圖可知，在試驗50s的時刻，仿真結(jié)果顯示出有無氣流道的邊緣區(qū)域，其應(yīng)力值均在40MPa以上，已超過石墨材料的自身抗彎強(qiáng)度極限，而對比實際試驗50s的石墨蓄熱體，其開裂的現(xiàn)象也是在邊緣的區(qū)域產(chǎn)生開裂導(dǎo)致的。這正是由于蓄熱體開孔結(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)果與實際損壞情況對比

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。與實際情況比較后發(fā)現(xiàn)，實際損壞情況與數(shù)值模擬結(jié)果相一致，說明數(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)計及改進(jìn)研究提供有益的參考。

 縱觀國內(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)及長時間工作的發(fā)展趨勢，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。在未來的研究中，蓄熱體設(shè)計是面向工程研制的關(guān)鍵技術(shù)問題，其改進(jìn)優(yōu)化應(yīng)朝著以下3個方面深入發(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。蓄熱體的孔型、開孔率、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，是未來發(fā)展的主要方向。 

（3）結(jié)合模擬仿真的改進(jìn)設(shè)計。數(shù)值模擬與蓄熱體設(shè)計研究的組合發(fā)展勢頭良好，擁有十分可觀的應(yīng)用前景，國內(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)計工具與方法，可以很大程度上縮短研發(fā)周期，對蓄熱體的優(yōu)化設(shè)計、經(jīng)濟(jì)效能實現(xiàn)均有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。