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固体管道与冷却液作用下的瞬态热流固耦合分析 在工程实践中，高温环境下的热保护工程受到了广泛的关注。例如，将炉渣中的液体冷却方法应用于冷却通道中的液体传输。该过程包括结构本身的热传导、流体和固体的界面传热和管道内流体的流动与传热,是一个典型的流固耦合共轭传热问题。有许多学者对流体-固体共轭传热问题进行了理论、实验和数值计算方面的研究[1―11]。Chida对共轭传热问题进行了量纲分析,得到了同时考虑流体和固体热物理性质的无量纲参数组合,并提出在非稳态共轭传热问题中,流固两种物质在界面处的耦合影响必须考虑。Rizk等获得了二维情况下流体流过加热平板的稳态耦合传热问题的理论解,并通过数值分析发现Peclet数、热导率比以及热边界条件类型对固体表面的温度和热流分布有明显影响,且理论和数值解吻合得很好。文献[3―7]分别研究了不同热边界条件下完全发展的层流管流的共轭稳态传热问题。其中,Al-Zaharnah等研究了不同Prandtl数和不同导热比对完全发展的层流管流与管道之间的耦合传热及相应的管道热应力分布产生的影响。研究指出,低Prandtl数和低液固导热比情况下,固体结构与流体温度几乎呈均匀分布,从而产生较低的径向应力;另外,入口处管道应力高于沿轴向的其他位置处的应力。Luna等采用解析方法与数值方法对圆形管与完全发展的层流之间的稳态共轭传热过程进行了分析,给出了不同导热参数、管道比面积及流体指数因子等对传热产生的影响。Bilir利用数值方法研究了完全发展的层流管流二维非稳态共轭传热问题,得出了不同流-固导热比、不同流-固耗散比和不同壁面厚度与管道内径比等参数对共轭传热的影响。文献[8―9]分别研究了湍流管流的情况,研究表明不同的流体环境、流固热物理性质和热边界条件对共轭传热都会产生影响。上述研究注重二维流场的共轭传热问题,没有对三维情况下的流场和结构耦合问题进行分析。另外,李迎[10―11]等对发动机冷却系统的流固耦合稳态传热问题进行了三维数值仿真,其结果与实测数据吻合较好,但其没有考虑瞬态情况等。 本文采用数值方法对均匀热流作用下的三维方形冷却管道的热流固耦合问题进行了分析。流场通过流体计算软件CFX分析得到,固体管壁温度场由ANSYS分析得到,两者间通过定义流固界面进行载荷传递作为相应的边界条件。分析中考虑材料热物理性质随温度的变化,得到了不同液体冷却下相应的流场和固体结构的温度及热应力分布。 1 管道结构的称性分析 本文考虑如下三维瞬态热流固耦合问题。在某燃烧室壁内有很多狭长的方形冷却管道,如图1(a)所示,其局部放大如图1(b),燃烧室内壁有0.2mm厚的防热涂层材料,方形管道边长为1mm,燃烧室壁厚5mm,管道长0.5m。 考虑到问题的对称性,取单根管道的一半结构进行分析,如图1(c),其相应的有限元模型如图1(d)所示,入口处流体的温度和环境温度都为室温T0=293K,入口流速为u=5m/s,出口处设置参考压力为0;方形管上涂层外表面(图1(c))有均匀热流q=40W/cm2输入,在管道内壁的流固界面处设置控制面进行载荷传递,对称面设置为对称边界条件,其他表面设为绝热面。分析中分别使用了水和煤油两种流体,并假设固体材料是均匀的各向同性材料,且不考虑流体的热物理性质随温度的变化。固体管道的材料为鉻镍高温合金,该材料常温下的密度为ρh=8.17×103kg/m3,考虑其为理想塑性材料;防热涂层为TGR-1涂层,其密度为ρt=5.89×103kg/m3,由于其强度很高,不考虑其塑性变形。材料导热率随温度的变化见表1。 2 流场及热传导模型 本文针对用液体通过方形管道对高温极端环境下的发动机壁板进行冷却的过程,考虑一面受热流载荷作用的三维方形管在充分发展的管流冷却作用下的瞬态热流固耦合问题。该过程包括固体结构的热传导、界面处的耦合传热和流体的流动及导热过程,其控制方程包括固体的热传导方程,流体的质量、动量和能量方程等。 计算中考虑流场分别为三维不可压缩层流和湍流流动,流场控制方程为: 连续方程 动量方程 能量方程 对于湍流流动,湍流模型采用标准的k-ε方程,其形式为: k方程 ε方程 式中:U为速度矢量;p为压强;η为动力粘度;Φ为耗散函数;k为湍动能;ε为湍流涡旋耗散;Sij为应变率矢量;μt湍流粘度;Pk为湍流产生项;α、β、σk、σε常数。 对于固体结构考虑其初始温度为室温,结构外壁面的上表面有固定热流输入,其固体热传导方程为: 初始温度T0=293K, 热流输入面(图1(c))边界条件: 在管壁内壁面,由温度和热流的连续性条件,有: 式中:Ts、Tf分别为固体、流体温度;q为单位面积的热流量;ρ为材料密度;c为材料比热容;ks为材料的热传导系数;kf为流体的热传导系数。 结构在热流作用下温度迅速上升,且在高温下材料性