3D打印高溫合金閥體壁面復合傳熱系數研究

高 鑫，蔡大靜，楊 濤，陳 強

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

燃氣閥是火箭固體姿控系統的關鍵組成部分，用于控制高溫高壓燃氣的流量和通斷，高溫燃氣閥閥體一般由高溫合金材料通過機械加工或3D打印加工而成。燃氣閥工作工況惡劣，其中閥體需要能夠承受高溫(1000 ℃以上)高壓(10 MPa以上)燃氣沖刷和產生的應力，并確保結構強度安全可靠。閥體設計時需要了解閥體工作時溫度分布情況，閥體的熱量來源于閥體內部流過的高溫燃氣，熱量由燃氣傳遞給閥體內壁包括對流傳熱和熱輻射過程，然后熱量由閥體內壁傳向外表面為熱傳導過程。由于閥體內壁屬于強制對流，壁面傳熱系數變化范圍較大(為500～35000 W/(m2·K))[1]，因此需要對壁面傳熱系數進行研究，壁面傳熱系數是表征傳熱過程強烈程度的標尺，傳熱過程越強烈，傳熱系數越大，反之則越小。閥體壁面傳熱系數與燃氣的溫度、壓強、流速、流量、流動狀態等因素有密切關系。獲得傳熱系數的方法大致分為五種：分析法、實驗法、比擬法、數值法、仿真法。分析法和比擬法一般無法獲得較為準確的傳熱系數，數值法計算傳熱系數較為復雜，因此以下采用實驗與仿真相結合的方法進行閥體壁面復合傳熱系數研究。

1 閥體結構及使用工況

1.1 閥體結構

該閥體為一體化閥體，采用3D打印技術完成加工，結構模型如圖1所示。所用材料為鎳基高溫合金GH3536。

圖1 閥體結構模型

1.2 使用工況

該閥體作為燃氣閥的組成部分，入口與燃氣發生器連接，出口與噴管連接，閥體兩端連電磁鐵。在燃氣閥工作時，高溫(1050 ℃±50 ℃)高壓(4～11 MPa)燃氣由入口進入閥體內部，從兩個出口流出。

2 測溫實驗

在進行熱試車試驗時，通過熱電偶檢測了閥體表面13個點位(T01～T03)溫度隨時間變化情況，其中(T02/T03)、(T04/T05)、(T06/T07)、(T08/T09)、(T10/T11)、(T12/T13)為對稱點，點位布置如圖1，溫度變化檢測結果如圖2。燃氣流量0.33～0.66 kg/s，燃氣壓強4～11 MPa，燃氣溫度1050 ℃±50 ℃，環境溫度18 ℃，高溫燃氣持續時間80 s。

圖2 溫度變化實驗檢測結果

根據實驗測試結果，閥體入口表面(T01)溫度升高最快，在34 s時達到1040 ℃左右，溫度上升速度依次是閥體入口(T01)、閥體中部(T02、T03)、出口管根部(T06、T07)、閥體兩端和閥體出口(T04、T05、T08、T09)、支撐桿中部(T12、T13)、安裝座(T10、T11)，對稱點溫度變化情況相似。

實驗進行到80 s時，閥體入口、閥體中部、出口管根部的最高溫度均達到了1050 ℃，閥體兩端和閥體出口溫度均達到了900 ℃，支撐桿中部最高溫度達到了375 ℃，安裝座表面溫度達到了75 ℃。

3 仿真分析

將閥體模型導入ANSYS軟件中，利用Fluent模塊進行流體仿真，利用Transient Thermal模塊進行瞬態熱力學仿真，王澤等在研究減速器穩態溫度場時運用了ANSYS軟件[2]。閥體材料設定為高溫合金，導熱系數如圖3所示，比熱容如圖4所示，表面自然對流傳熱系數設定為10 W/(m2·K)。

圖4 高溫合金比熱容變化

3.1 流體仿真

壁面傳熱系數關系式h=f(u，l，ρ，η，λ，cp)，壁面傳熱系數與流體速度、壁面結構、流體密度、動力粘度、導熱系數、比定壓熱容等因素有關[3]。因此首先對閥體內壁燃氣進行流體仿真，獲得閥體內燃氣速度跡線圖(圖5)和絕對壓力分布圖(圖6)。

通過圖5可以看出，閥體內部燃氣流速較快，最大流速達到262 m/s，閥體入口和中部流速較快，閥體兩端流速較慢，最大流速在出口位置。

圖5 閥體內燃氣速度跡線圖

通過圖6可以看出，閥體內部的絕對壓強由入口到出口逐漸降低，入口段的絕對壓強最大，其次是閥體中部的絕對壓強，然后是閥體兩端和出口管中的絕對壓強。

圖6 絕對壓強分布圖

因此，在進行閥體熱仿真設置內壁換熱系數時應根據流體仿真結果對不同區域的壁面復合傳熱系數進行相應的參數設置。設置原則為綜合考慮燃氣流速、壓強、流道內徑等因素變化情況，復合傳熱系數總體變化趨勢為逐漸減小。

3.2 初始熱仿真

根據閥體內部燃氣流速、絕對壓強等因素的變化，將閥體內壁面分為入口段、閥體中段、閥體兩端、出口管路，如圖7所示。

圖7 閥體內壁復合傳熱系數分區設置示意圖

首先設置初始壁面復合傳熱系數，從入口內壁到出口管內壁逐漸減小，分別為4000 W/(m2·K)、3000 W/(m2·K)、2000 W/(m2·K)、1000 W/(m2·K)。將環境(燃氣)溫度設定為1050 ℃，設定仿真結束時間為80 s，進行瞬態熱仿真。初始溫度仿真結果如圖8所示，各監測點溫度變化與實驗測定結果變化規律相同，各點溫度逐漸升高，在實驗進行至80 s時達到最高，但是匹配度不高，說明溫升速率不正確，因此需要進行溫度匹配熱仿真。

圖8 初始熱仿真結果

3.3 溫度匹配仿真

進行溫度匹配仿真，首先需要根據仿真結果與實驗測定結果進行比對，若仿真溫升速率高于實驗測定結果，則需要減小相應部位壁面的復合傳熱系數，若仿真溫升速度低于實驗測定結果，則需要增大相應部位壁面的復合傳熱系數。使得仿真結果與實驗結果匹配良好，則可獲得較為準確的壁面傳熱系數。如圖9所示，是通過匹配仿真后，各部位表面溫度變化仿真結果與實驗測定結果的匹配圖(由于對稱點溫度變化基本相同，為便于觀察，取對稱點中的一個進行對比，點位號后帶字母F為仿真組，不帶F的為實驗組)。

圖9 閥體表面溫度變化仿真結果與實驗測定結果的匹配圖

由圖9可以看出，溫度仿真數據與實驗測定數據匹配良好，說明相應的閥體復合傳熱系數值接近真實值。通過匹配仿真獲得的各部位壁面復合傳熱系數見表1。

表1 通過匹配仿真獲得的各部位壁面復合傳熱系數

4 驗證計算

利用仿真獲得的壁面復合傳熱系數，進行溫度計算驗證。

首先將閥體模型進行簡化，計算入口、閥體中部、閥體兩端、出口管路四處外表面溫度。

通過牛頓加熱公式(1)，可計算閥體內壁熱流量。

Φ=AhΔtm

(1)

式中：Φ—熱流量，W；A—壁面面積，m2；h—壁面復合傳熱系數，W/(m2·K)；Δtm—換熱面A上流體與固體表面平均溫差，℃。

通過公式(1)，計算出各閥體內部各部位的熱流量，然后通過穩態傳熱方程(2)，計算出表面溫度。

(2)

式中：to—表面溫度，℃；t∞—內壁溫度，℃；δ—壁厚，m；λ—閥體導熱系數，W/(m·K)。

聯立公式(1)、(2)可得到表面溫度計算公式(3)，即溫度由燃氣經閥壁傳至壁面的溫度公式。

(3)

將閥體上四部分簡化成如下四部分圓柱體，如圖10所示。

圖10 閥體各部位簡化模型示意圖

計算第10 s時各部分表面溫度，10 s時各部分內壁溫度(t∞)分別為859.4 ℃(入口)、630.8 ℃(閥體中部)、504.1 ℃(閥體兩端)、611.3 ℃(出口管)，如圖11所示。

圖11 工作10s時閥體各部位溫度分布

導熱系數取對應的平均值30、21、16、17，復合換熱系數見表1，換熱面A上流體與固體表面平均溫差516 ℃，壁厚分別為9.5×10-3m、8.5×10-3m、12.5×10-3m、7×10-3m。

通過公式(3)計算出各部位表面溫度為：676.1 ℃(入口)、424.5 ℃(閥體中部)、143.5 ℃(閥體兩端)、390.5 ℃(出口管)。計算的表面溫度與實驗測定的溫度指標吻合(實驗測定的分別為：682 ℃、398 ℃、145 ℃、385 ℃)，準確率為97.6%，說明通過匹配熱仿真所得到的壁面復合傳熱系數可以用于溫度場計算。

5 結論

通過傳熱實驗、熱仿真和計算，對某3D打印高溫燃氣閥體在高溫高壓燃氣下的壁面復合傳熱系數進行了研究，獲得如下結論：

1)燃氣閥壁面復合傳熱系數隨絕對壓強和燃氣流速的減小而逐漸減小，隨著流速的增加會有所增加，流速對壁面復合傳熱系數的影響能力大于燃氣壓強對壁面復合傳熱系數的影響能力。

2)在入口壓力為4～11 MPa，燃氣溫度1050 ℃，燃氣流量為0.33～0.66 kg/s時，壁面復合傳熱系數為950～1058 W/(m2·K)。

3)通過實驗獲得閥體表面溫度數據，對ANSYS仿真軟件中的參數進行修改和匹配仿真，可以得到難以通過實驗獲得的壁面復合傳熱系數參數，用該方法獲得的參數進行溫度場計算，平均準確率達到97.6%。