【摘 要】
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温度调节是模型深冷流体试验的核心环节之一,能有效地提高试验效率、节约试验成本,从而达到试验设计指标。然而,模型温度调节过快,温度梯度与流场的耦合作用会使结构产生应力及变形,甚至引起材料强度失效及损坏;相反,调节过慢则会严重影响试验效率。因此,需要借助计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)等模拟手段,探究温度调节过程中试验模型及环境的时域特性,寻找最优的温度
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温度调节是模型深冷流体试验的核心环节之一,能有效地提高试验效率、节约试验成本,从而达到试验设计指标。然而,模型温度调节过快,温度梯度与流场的耦合作用会使结构产生应力及变形,甚至引起材料强度失效及损坏;相反,调节过慢则会严重影响试验效率。因此,需要借助计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)等模拟手段,探究温度调节过程中试验模型及环境的时域特性,寻找最优的温度调节方案。本文基于Ansys Workbench平台,利用弱耦合形式的流-热-固耦合数值计算方法,系统地研究了某模型降/升温工况,确定了最优的温度调节策略,为模型温度调节方案的制定提供了指导,从而为深冷流体试验奠定了前期准备基础。本文具体研究内容与主要结论如下:(1)通过实验,测量了试验模型及支撑系统材料(即18Ni(200)与18Ni(250))在不同温度下的力学性能与热物性参数,为后续的流-热-固耦合模拟提供了试验数据支持。(2)采用了不同网格划分形式,包括非结构化网格、结构化网格与混合网格,对模型进行了网格依赖性分析。在满足计算精度、保证计算效率的前提下,选用了效率和精度折中的合适网格模型进行后续研究。(3)采用了剪切应力输运(Shear Stress Transport,SST)k-omega双方程湍流模型与瞬态计算方法,在不同设计工况下,对试验模型及温调环境进行了温度场分析。提出了具体的温度调节策略,使试验模型在该策略下能够满足设计所提出的降/升温目标。(4)基于流场模拟结果,对试验模型进行了静态结构分析,得到相应的变形、应力分布情况。试验模型应力水平最高区域(两侧结构与主体连接处)在典型工况下的最大应力为687 MPa,远小于材料18Ni(200)的屈服强度1412.23 MPa,验证了温度调节策略的可靠性。(5)利用简化模型,探究了主体段壁厚等几何参数与温度调节时间之间的关联,在此基础上,为提高模型温度调节效率提供了建议。在试验需求范围内,降温时间与壁厚等参数存在一定的关系,给出了初步的经验公式,为后续试验设计提供了一定的理论依据。
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