摘   要：在高超聲速風洞中，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。針對高超聲速風洞蓄熱式加熱器在長時間運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)象進行了熱應力場的數(shù)值模擬，并分析了裂紋的形成機理及其影響因素。模擬及分析結果表明，蓄熱體裂紋產生的主要原因是蓄熱體開孔布局不合理導致的局部高溫熱應力作用；蓄熱體開裂是由于疲勞斷裂產生的，在長時間運行過程中最大熱應力值已超過其抗彎強度。通過對比分析，數(shù)值模擬結果與蓄熱體實際損壞情況相一致，說明數(shù)值模擬的結果準確反映了蓄熱式加熱器中蓄熱體產生裂紋的原因。此外，對蓄熱體的改進優(yōu)化及未來研究方向提出3點建議，可為高超聲速蓄熱式風洞加熱器中的蓄熱體工程設計與改進優(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定后，再進行設置求解器進行求解，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的常溫氮氣進入蓄熱體進行換熱后，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。這說明蓄熱體內部由于強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構的不合理性。

圖7 50s時刻的蓄熱體溫度分布云圖

為了進一步分析試驗過程中，蓄熱體在常溫氮氣對流換熱的作用下，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，存在內部因收縮或膨脹受阻產生熱應力的現(xiàn)象。

3. 2  不同時刻的蓄熱體熱應力場

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生剛性位移。其中，蓄熱體最大應力的區(qū)域及時刻如圖9所示。

圖9   蓄熱體不同時刻的熱應力云圖

由圖 9 可知，蓄熱體在30s 時刻前的熱應力基本低于等靜壓石墨蓄熱體在高溫下的抗彎強度38MPa，僅有少量的局部區(qū)域的熱應力大于38MPa，最大熱應力約為 39. 259MPa，出現(xiàn)在蓄熱體有氣流和無氣流道的邊緣區(qū)域。結果表明，由于蓄熱體結構的影響，在服役至 30s 時刻，蓄熱體承受溫度激烈變化而引起內部溫度梯度過大，其內部各部分之間由于不能完全自由膨脹而產生熱應力，熱應力超過等靜壓石墨材料的強度極限，造成了蓄熱體的損壞。

蓄熱體最 大熱應力與平均熱應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，蓄熱體的最大熱應力在急劇增加，尤其在30s 后，蓄熱體局部最大熱應力始終在不斷增大，已遠超過蓄熱體材料自身的抗彎強度極限。蓄熱體的平均熱應力雖然也在不斷增大，但變化幅值小。此外，平均熱應力均在15MPa以下，均不超過等靜壓石墨材料的抗彎強度極限。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力過大。

圖10    蓄熱體最大熱應力與平均熱應力隨時間的變化曲線

3. 3  氣流速度對蓄熱體熱應力的影響

在高焓純凈風洞加熱器中，氣體入口速度的大小將直接影響到氣體與蓄熱體之間強制對流換熱強度，在一定范圍內，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，入口速度為4m/s和8m/s時，溫差值800K以內；入口速度為12m/s、16m/s和20m/s時，其溫差值均超過800K。計算結果說明，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，蓄熱體產生局部熱應力過大而導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力的變化情況如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)：蓄熱體的熱應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，從而導致蓄熱體的熱應力局部過大，產生開裂的現(xiàn)象。

 此外，由圖12可知，在0~50mm的高度上，熱應力是在逐漸增大，這是由于蓄熱體迎風面的整體溫度被均勻冷卻，而在50~200mm的高度上，熱應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，影響風洞試驗的氣體潔凈度。但為了保證氣體供應的充足性，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、蓄熱體實際的結構、溫度變化情況等進行合理的選擇。

3. 4  對比分析及優(yōu)化展望

在高焓純凈風洞加熱器中，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

為了進一步了解蓄熱體損壞的原因，同時驗證本文仿真結果的可靠性，綜合上述仿真計算的結果，與蓄熱體實際損壞的情況進行對比分析，如圖13所示。由圖可知，在試驗50s的時刻，仿真結果顯示出有無氣流道的邊緣區(qū)域，其應力值均在40MPa以上，已超過石墨材料的自身抗彎強度極限，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)域產生開裂導致的。這正是由于蓄熱體開孔結構的不合理性，導致蓄熱體內部的溫差較大，從而產生局部較大的熱應力。

圖13　數(shù)值模擬結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，進而裂紋擴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)值模擬結果相一致，說明數(shù)值模擬結果可以準確反映出蓄熱式加熱器中蓄熱體產生裂紋的原因，可為高超聲速蓄熱式風洞加熱器中的蓄熱體工程設計及改進研究提供有益的參考。

 縱觀國內外主要的高超聲速風洞，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，后期建設的風洞趨于采用蓄熱式加熱器，因此，蓄熱體的研制與改進優(yōu)化尤為關鍵。在未來的研究中，蓄熱體設計是面向工程研制的關鍵技術問題，其改進優(yōu)化應朝著以下3個方面深入發(fā)展：

（1）高溫蓄熱材料的選擇。根據(jù)風洞性能指標要求，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)風洞的最大流量，選擇的蓄熱材料應有足夠的密度與質量，避免損壞加熱器。

（2）蓄熱體的結構設計。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，良好的蓄熱體結構不僅要在短時間內完成大量換熱，而且應避免蓄熱體整體溫差大，進而降低蓄熱體產生的熱應力。蜂窩型的蓄熱體，采用圓柱形氣體通道，可緩解蓄熱體的應力集中，并且不易產生大量的粉塵顆粒，已成為國內外高溫蓄熱式加熱器的首選結構，但仍需大量研究以取得進一步突破，是未來發(fā)展的主要方向。 

（3）結合模擬仿真的改進設計。數(shù)值模擬與蓄熱體設計研究的組合發(fā)展勢頭良好，擁有十分可觀的應用前景，國內外航空航天領域均廣泛采用數(shù)值仿真技術為先進設計工具與方法，可以很大程度上縮短研發(fā)周期，對蓄熱體的優(yōu)化設計、經(jīng)濟效能實現(xiàn)均有很強的促進作用。