介紹了風洞熱風閥在風洞系統中承受高溫及高壓的工況條件及其相關的技術要求。建立和描述了風洞閥門的物理及數學模型，確定了模型的邊界條件。分別采用有限容積法及有限元法對風洞閥的流場、溫度場及其應力應變場進行了耦合計算。給出了閥內空氣最大流速、閥座表面平均溫度、閥體局部點最大應力的計算過程和結果及其閥體加工時所采用的工藝規則。

1、概述

　　風洞設備及其相關的設計制造技術是國防尖端科技的基礎，也是世界各國國防工業的核心技術。風洞熱風閥安裝在風洞儲能裝置加熱室的出口，是一種可承受高溫、高壓的截止性質的閥門。當風洞儲能裝置內空氣壓力和溫度達到一定數值時，風洞閥快速開啟，并在閥后的拉伐爾噴管內形成高超聲速氣流，以此沖擊發動機進行實驗。在風洞實驗過程中，高溫高壓空氣流經閥體，閥體承受著高壓及溫差應力的作用，對閥體結構的合理設計關系著風洞系統的安全性。

　　傳統的高參數閥門多采用經驗公式法進行設計，由于經驗公式法涉及到的變量較少，很難對閥體結構進行定量優化。數值計算法可對閥門的流態、熱態、應力態等多種狀態進行模擬分析，從而得到優化的結構，但涉及到的流固熱多物理場耦合如何實現還有待探究。

2、多物理場耦合數學模型

　　熱風閥主體結構為鋼材，為了隔熱在閥體內壁襯有隔熱材料。閥座密封面處采用熱噴涂工藝，基材為閥體用鋼材，用水冷方式降低閥座溫度。

　　分析閥體受熱過程可知，閥內流動的是潔凈的高溫空氣，可不考慮氣體向閥體內壁的熱輻射。高溫空氣以對流形式，將熱量傳遞給隔熱材料，隔熱材料和閥體以熱傳導的形式將熱量傳至閥體表面，最終以對流方式將熱量傳給環境大氣。由于熱風閥閥體內空氣流速不同，導致閥體各部位換熱程度不同，從而引起溫差應力。因而閥體的安全性問題是流動、傳熱及應力等物理場耦合的結果。準確計算流動狀態及合理處理邊界層傳熱是關鍵。

4、計算結果分析

4.1、流場及溫度場分布

　　圖2 給出了閥體內流場分布的狀態圖，圖中可以看出，空氣在閥腔內速度分布并不均勻，最大流速達到9.5m /s，最大流速出現在拐角流線發生急變處。

圖2 穩態下閥體內流速分布

　　圖3 與圖4 分別給出了閥體表面及閥中截面的溫度分布，從閥體表面溫度分布圖中可看出閥表面溫度分布是不均勻的，最高溫度為71.6℃，出現在閥體的拐角處，此處的高溫區與流場的高速區相對應，產生這一現象的原因在于流體的正面沖擊邊界層厚度減薄，閥內壁換熱增強，繼而引起閥外壁溫度跟著升高。

圖3 閥體外表面溫度場分布

圖4 閥體中截面溫度分布

　　圖5 給出了閥座水冷處的局部溫度分布圖，在密封面處平均溫度約為110℃，但在這一區域出現了2個高溫點( 圖6) ，這個小區域溫度與周邊溫度相差很大，即在這一區域有很大的溫度梯度。這2 個高溫點均位于保溫材料、鋼材、高溫流體相接觸的位置。產生這一現象的原因在于，空氣在流動時先流經保溫層，由于保溫材料熱導率很小，在保溫層內表面的溫度很高( 接近900℃) ，與保溫層相接觸的流體邊界層內的溫度也很高，這部分高溫空氣與鋼材相接觸時，導致鋼材的溫度也升高。隨著流體繼續向前流動，鋼材帶走了邊界層內的熱量，邊界層內流體溫度快速下降，鋼材的溫度也快速下降，由于空氣的比熱很小，而且熱導率也很小，因而在這點溫度較高，且產生很大溫度梯度。這一計算結果也提示我們，在設計流道時應盡量避免流道內凸臺等結構，盡可能使邊界層穩定，以提高邊界層的隔熱作用。

4.2、應力與變形分析

　　將溫度場各點數據導入閥體結構單元中，對閥體進行應力分析，得到閥體等效分布如圖7 所示。閥體上最大等效應力為284.67MPa，分布在閥體內部凸臺上側。將應力最大點的分布位置局部放大( 圖8) ，可見閥體的高應力分布區域很小，這是由于溫差和結構突變的共同作用導致該位置的應力值突增，如果將該位置的銳角倒鈍，則該處的應力集中情況將會大幅改善。

圖5 穩態下閥體水冷面溫度分布

圖6 高溫點產生位置

圖7 閥體等效應力分布

圖8 閥體最大等效應力分布位置

　　閥體外壁等效應力分布如圖9 所示，外壁平面的中間位置等效應力相對較大，可達105.02MPa。最小等效應力分布在閥體下角，其值為1.028MPa。閥體總變形如圖10 所示，最大總變形量為0.5mm，位于閥體下方直邊棱處，最小總變形量為0.03mm，位于上端法蘭端面處。

圖9 閥體外壁等效應力分布

圖10 閥體總變形分布

5、結語

　　(1) 建立了用于閥體流場、溫度場、應力應變場的物理數學模型，并將有限容積法與有限元法有效結合在一起，求解了風洞閥內流體與固體區域的各物理場分布。

　　(2) 流場與溫度場計算表明，閥體外表溫度小于75℃，閥座表面平均溫度110℃，能夠達到設計要求。但設計中應注意流體通道的光滑，避免突臺等不規則的結構導致邊界層破壞引起局部高溫。

　　(3) 由于隔熱材料起到了作用，閥體總體的應力與應變均不大，但由于結構突變在局部點有較高的應力值。對于這類小區域，尖角引起的應力集中問題，可在閥體加工時采用銳角倒鈍的工藝措施。