随着航天技术的发展和性能要求的提高,航天器等飞行器对飞行精度要求也越来越高。某飞行装置控制设备存在工作温度超高的问题,继而影响系统控制精度。为保证关键设备的正常运行,需要增加降温系统对设备进行冷却。

降温系统主要由进气阀、管路等组成,由进气阀从外界取气,空气经管路、过滤设备后分离空气中的杂质、水分,再通过相关做功装置进一步降低空气的温度,保证系统的冷却效果。进气阀的进气端口采用S形进气道以提高进气效率和结构适应性。

国内外对S弯进气口的研究较多,设计技术也比较成熟,并且有多种形式的S弯进气口投入了实际应用,但S弯进气口由于弯道作用使得进气道的出口形成涡结构^[1-2],造成进气通道对飞行攻角等变化比较敏感。国内外学者进行了大量工作,在进气口前方安装导流板以减小旋流对发动机及进气道的稳定性影响; Lee C C等开展了大偏距、短扩压的进气道设计和研究^[3]; 靖建朋等人针对S弯进气口开展了设计、仿真和试验研究,获得了进气道性能变化规律和无气流分离的高品质流动^[4-6]。上述研究中使用的减小S弯进气道涡旋的导板、隔道等措施可直接指导本文的结构设计,实现了气动性能的改善; 对S弯进气道开展亚声速数值风洞的流场模拟及边界设置方法具有借鉴作用。因此,对于进气阀口的S弯流道气动性能与结构参数、布局、工况、攻角均有较强的相关性,对新研发的进气口开展飞行条件下的气动性能和强度性能研究是十分必要的。

本文针对进气阀口的气动性能进行数值计算和试验研究,获得进气阀口总压恢复系数,为下游设备设计提供参数,并通过流固耦合方法分析验证其结构强度。

根据降温系统结构和性能设计要求,开展了进气阀的研发工作,主要考虑提高亚声速进气阀口气动性能和减小整体结构尺寸,最终设计了一种常开式S形进气阀口^[7-11],结构示意图如图1所示。该进气阀口主要由进气道、托板螺母、铆钉等组成。为保证进气阀口的总压恢复系数,参考亚声速进气道设计技术,其中的进气道采用入口为圆角矩形、出口为圆形的S形样条渐变内流道,且入口、出口及流道为等流通面积设计; 另外,在圆角矩形入口下方设计了楔形隔道,消除附面层影响,同时也可以避免了高速气流在遇到壁面凸起强烈上旋,出现“堵塞”入口的现象,保证有效进气面积。

图1 S形进气阀口结构示意图
Fig.1 Schematic of S-shaped valve inlet

对于进气阀口随飞行装置飞行时的强度问题,若采用常规的直接加载压力边界条件方法,很难真实模拟其工作状态下的介质作用力。近年来,随着计算科学与数值分析方法的不断发展,流固耦合受到了世界学术界和工业界的广泛关注。流固耦合问题是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支,同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支,它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流体影响二者相互作用的一门学科。从数据传递角度出发,流固耦合分析可以分为单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。本文所研究进气阀口设计强度裕度较大且介质压力较小,故结构变形对流场影响非常小,以致对流体分析影响可以忽略不计,适宜采用单向流固耦合方法。

以ANSYS Workbench平台建立如图4所示的单向流固耦合强度分析模型,将流体计算获得的流固界面压力分布结果作为强度计算边界条件,采用插值映射方法加载到进气阀口壁面,如图5所示。

图4 单向流固耦合强度分析模型
Fig.4 Strength analysis model of one-way fluid-structure interaction

图5 界面压力映射
Fig.5 Pressure mapping on interface

以表1中序号2、9、16三个近额定流量工况、不同攻角下,气动性能仿真得出的进气阀口壁面压力分布结果作为强度计算边界条件,插值映射加载到进气阀口壁面,则进气阀口强度计算结果为:0°攻角最大应力为7.57 MPa(见图6)、-2.5°攻角最大应力为7.67 MPa、5.0°攻角最大应力为7.61 MPa,而铸件力学性能测试抗拉强度大于等于305 MPa,故具有较大的设计强度安全裕度,并经下文风洞试验考核结构完好无损。考虑到异形薄壁铸件的工艺性和后续机械加工的整体刚度,故进气阀口壁厚不再进一步减薄。从应力分布云图和变形可知,由于进入进气阀口的流量相对较小,而外壁面附近流速较高,局部接近声速,内壁面静压较外壁面要高,故进气阀口上壁面表现为向外变形,与实际情况相符。

图6 0°攻角、182 kg/h流量工况计算结构应力分布云图(MPa)
Fig.6 Structural stress distribution(MPa)at 0° attack angle and 182 kg/h flow rate

本文以数值模拟和试验研究的方法对进气阀口气动性能和耦合强度分析,主要得到以下结论:

1)S形进气阀口在来流0.7 Ma、流量100～300 kg/h条件下,3种攻角(-2.5°、0°、5°)状态的总压恢复系数均大于0.95; 在额定流量(160 kg/h)时的总压恢复系数约为0.978～0.999,表明进气阀口的气动性能良好。

2)S形进气阀口气动性能数值模拟与试验结果对比表明:本文采用的压力远场边界、背压法模拟流量、全场初始化的数值计算方法合理可行,吻合度较好,该数值方法可以应用于其他类似进气道的气动性能分析。

3)应用流固界面压力插值映射的单向流固耦合方法获得了S形进气阀口的实际载荷强度,结果表明:进气阀口在不同攻角、流量下强度安全裕度满足要求,并经风洞试验考核结构完好无损。