高溫防護涂層對燃氣舵瞬態繞流場影響的模擬研究

曹　奔，黃貞益，牛亞然，謝玲玲，鄭學斌

(1.中國科學院上海硅酸鹽研究所特種無機涂層重點實驗室，上海　200050；2.安徽工業大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山　243002)

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高溫防護涂層對燃氣舵瞬態繞流場影響的模擬研究

曹奔1,2，黃貞益2，牛亞然1，謝玲玲1,2，鄭學斌1

(1.中國科學院上海硅酸鹽研究所特種無機涂層重點實驗室，上海200050；2.安徽工業大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山243002)

摘 要:采用流體計算軟件Fluent研究了等離子體噴涂不同厚度的ZrO2涂層和W涂層對燃氣舵瞬態繞流壓力場和速度場的影響。結果表明,燃氣舵前緣為激波最強烈位置,此處壓力值達到最大,但速度值降至最低。燃氣流受燃氣舵形狀的擾動在其前緣邊緣和后緣處形成膨脹波,壓力大幅突降,速度顯著增大。為了提高燃氣舵抵抗激波能力,需增加ZrO2涂層和W涂層厚度,但膨脹波強度有所增強。計算結果對探究添加等離子體噴涂涂層后燃氣舵的防護有一定意義。

關鍵詞:燃氣舵;等離子體噴涂;繞流場;數值計算

0引言

燃氣舵系統是工作于高溫(1 600～2 400 K)、超聲速(馬赫數為2～4)[1]導彈燃氣噴流中的特殊翼，廣泛用于空空導彈和垂直發射導彈進行推力矢量控制[2]。為了使燃氣舵不至于在燃氣流沖擊下變形和破壞，其表面可添加等離子體噴涂高溫防護涂層以提高其抗燒蝕和耐沖刷能力。但添加涂層后使得燃氣舵附近流場的流動細節也隨之發生改變，為了更好地了解流場中燃氣舵的行為，對燃氣舵附近流場的特性進行研究十分必要。

為了緩解燃氣舵對燃氣流的擾動，提升燃氣舵的服役效果，國內外學者對改進燃氣舵材料進行了一定的數值和實驗研究。Suresh Kumar等[3]對C/SiC復合材料的燃氣舵進行了研究。曹熙煒等[4]設計了一種由固體定組成的特型燃氣舵。陳博[5]及劉麗麗等[6]研究了純C/C復合材料的燃氣舵。陳俊等[7]研究了高溫合金鋼(30CrMnSiA) 骨架和耐高溫的碳/酚醛復合材料模壓制成的復合結構燃氣舵。上述對單一或復合結構燃氣舵材料研究較多，而在燃氣舵表面添加等離子體噴涂涂層的研究未見相關報道。

本文所研究的燃氣舵材料為鈦合金，其具有較好的耐高溫能力和較高的比強度等優異性能，不僅可以減輕燃氣舵的重量，而且可以提高其飛行性能[8]。運用等離子體噴涂技術，在鈦合金燃氣舵上噴涂三層涂層，從內到外分別為金屬粘結層W涂層、陶瓷層ZrO2涂層和外層W涂層。其中W作難熔金屬，可以防護高溫射流中粒子的沖刷，內層選用W涂層還可以作為過渡層減少界面應力，避免陶瓷層過早剝落[9]。ZrO2涂層主要用于隔熱，防止燃氣舵溫度升高過快。基于流體計算軟件Fluent，通過改變ZrO2涂層和外層W涂層的厚度，以期獲得不同的涂層厚度組合對燃氣舵繞流場的影響。

1研究方法

1.1計算模型

燃氣舵安裝在噴管出口處，對上游氣流參數不會產生影響。為了解高溫、高壓的超聲速氣流對燃氣舵繞流場的影響，本文對整個問題進行適當的簡化[10]，整體計算區域模型如圖1(a)所示，采用如下邊界條件：(1)計算域入口：壓力入口條件，設定燃氣總壓和總溫參數； (2)固體域與流體域交界面：流固耦合壁面邊界條件； (3)計算域出口：壓力出口條件，根據環境值給定總壓和總溫參數； (4)其他壁面：絕熱壁面條件。

涂層及燃氣舵計算模型如圖1(b)所示，計算時內層W涂層厚度保持0.2 mm不變，ZrO2涂層厚度為0.5 mm和1.5 mm，外層W涂層厚度為1.0 mm和2.0 mm。取Y為-300 mm位置燃氣舵繞流場進行分析，流場參數如表1所示，材料參數如表2所示。

圖1　計算模型

參數比熱比出口總壓/atm出口溫度/K數值1.21.0300

表2　涂層及燃氣舵材料參數

1.2計算過程及相關假設

本文計算模型的建立基于非結構網格生成技術。計算選擇三維黏性k-εRNG湍流模型作為求解基礎。瞬態計算流動方程采用二階迎風差分格式，湍流方程則采用一階迎風差分格式，選用隱式耦合求解器求解。

為了便于分析計算，對模型作如下假設：(1)燃氣為可壓縮的理想氣體； (2)不考慮化學反應,認為燃氣均質單一； (3)忽略燃氣中離散相的影響； (4)在耦合傳熱中只考慮對流換熱作用，忽略輻射傳熱的影響。

2計算結果與討論

2.1無涂層時燃氣舵繞流壓力場和速度場

無涂層時燃氣舵瞬態繞流壓力場和速度場如圖2所示，燃氣舵前緣形成一個高壓低速區，前緣邊緣和后緣處形成兩個低壓加速區。由圖2(a)～(c)可見，燃氣舵前緣激波極值達6 MPa，前緣邊緣處壓力值為1.5 MPa，后緣處壓力值7 s時由1.5 MPa降至1.0 MPa。由圖2(d)～(f)可見，前緣處加速效果較小，1～7 s僅由100 m/s加速至300 m/s，而前緣邊緣處和后緣速度很快加速至1 000 m/s以上。

圖2無涂層時燃氣舵繞流壓力場和速度場

2.2不同厚度涂層的燃氣舵繞流壓力場

2.2.1ZrO2涂層厚度為0.5 mm時燃氣舵繞流壓力場

ZrO2涂層厚度為0.5 mm時不同厚度W涂層的燃氣舵瞬態繞流壓力場如圖3所示。由圖可見，添加涂層后燃氣舵前緣處激波極值有所降低，但前緣邊緣和后緣處壓力值降低速率加快。由圖3(a)和(d)可見，W涂層厚度增加后，1 s時燃氣舵前緣壓力值由6 MPa降至5.5 MPa，后緣處壓力值也由1.5 MPa降至1.0 MPa。由圖3(b)和(e)可見，4 s時前緣邊緣處壓力值降低速率加快，由1.5 MPa降至1.0 MPa。由圖3(c)和(f)可見，7 s時燃氣舵繞流壓力場各處壓力值已達穩定狀態。

圖3ZrO2涂層厚度為0.5 mm時燃氣舵繞流壓力場/MPa

2.2.2ZrO2涂層厚度為1.5 mm時燃氣舵繞流壓力場

ZrO2涂層厚度為1.5 mm時不同厚度W涂層的燃氣舵瞬態繞流壓力場如圖4所示。由圖可見，ZrO2涂層厚度增加后，燃氣舵前緣激波極值進一步降低，前緣邊緣和后緣處壓力值降低速率加快。由圖4(a)和(d)可見，1 s時不同厚度W涂層的燃氣舵前緣壓力值均為5.0 MPa，W涂層厚度增加后，前緣邊緣和后緣處壓力值迅速降至1.0 MPa。由圖3(b)和(e)可見，4 s時不同厚度W涂層的燃氣舵前緣壓力值分別為5.5 MPa和5.0 MPa，而前緣邊緣和后緣處壓力值均迅速降至1.0 MPa。由圖4(c)和(f)可見，7 s時1.0 mm的 W涂層的燃氣舵繞流壓力場各處壓力值已達穩定狀態，2.0 mm的 W涂層的燃氣舵前緣壓力值仍為5.5 MPa。

圖4ZrO2涂層厚度為1.5 mm時燃氣舵繞流壓力場/MPa

由于燃氣流在燃氣舵前緣處強烈滯止，產生強激波導致此處壓力值急劇升高。前緣邊緣和后緣受燃氣舵形狀的擾動作用，使得燃氣流在此處向外擴展的過程中產生膨脹波，壓力值迅速降低。添加涂層后，涂層厚度增加相當于固體域壁厚的增加，使得燃氣舵抵抗激波的能力增加，前緣處壓力值有所降低，但壁厚增加對燃氣流的擾動作用加大，從而導致膨脹波的強度有所增強。

2.3不同厚度涂層的燃氣舵繞流速度場

2.3.1ZrO2涂層厚度為0.5 mm時燃氣舵繞流速度場

ZrO2涂層厚度為0.5 mm時不同厚度W涂層的燃氣舵瞬態繞流速度場如圖5所示。由圖可見，添加涂層后燃氣舵前緣處速度值有所降低，但前緣邊緣和后緣處速度值升高速率加快。由圖5(a)和(d)可見，1 s時燃氣流在前緣處速度急劇降低至100 m/s，后緣處的加速效應小于前緣邊緣處。由圖5(b)，(c)，(e)，(f)可見，4 s和7 s時前緣速度值仍較低，但前緣和后緣邊緣處速度值升高速率加快，馬赫數達到3～4。

圖5ZrO2涂層厚度為0.5 mm時燃氣舵繞流速度場/(m/s)

2.3.2ZrO2涂層厚度為1.5 mm時燃氣舵繞流速度場

ZrO2涂層厚度為1.5 mm時不同厚度W涂層的燃氣舵瞬態繞流速度場如圖6所示。由圖可見，ZrO2涂層厚度增加后，燃氣舵前緣低速區速度值仍很低，但前緣邊緣和后緣處加速區速度升高速率進一步加快。由圖6(a)～(f)可見，1～7 s時，燃氣舵前緣速度值始終較低(100～200 m/s)，前緣和后緣邊緣處加速區速度很快升至1 000 m/s以上，加速效應顯著。

圖6ZrO2涂層厚度為1.5 mm時燃氣舵繞流速度場/(m/s)

燃氣舵繞流速度場與壓力場有很好的對應性，燃氣舵前緣激波處速度急劇降低，向外擴張的膨脹波處速度加快。添加涂層后，涂層厚度增加引起的壁厚效應使得燃氣流在燃氣舵前緣邊緣和后緣處加速效應明顯，但前緣處速度值一直很低。

3結論

采用流體計算軟件Fluent分析了不同厚度ZrO2涂層和W涂層對燃氣舵瞬態繞流壓力場和速度場的影響，可得出如下結論：

(1) 燃氣舵前緣為壓力集中區域，此處所形成的激波壓力值達到最大，但速度值最低。燃氣流通過燃氣舵的過程中會受到燃氣舵形狀的擾動，在前緣邊緣和后緣處均會形成膨脹波，壓力值會大幅度突降，速度值則會顯著增大。

(2) 添加涂層后，增加ZrO2涂層和W涂層厚度相當于增加固體域的壁厚，燃氣舵前緣激波強度有所減小，對保護燃氣舵抵抗激波的沖刷有所幫助。但對燃氣流的擾動作用進一步增大，膨脹波強度有所增大。

(3) 利用Fluent計算ZrO2涂層和W涂層對燃氣舵瞬態繞流場的影響，所得的壓力場和速度場的結果有很好的一致性，對探索添加等離子體噴涂涂層后燃氣舵對流場的影響及其防護有一定的指導意義。

參考文獻：

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Simulation Study on Transient Circumferential Flow Field of Gas Vane with Plasma-Sprayed High-Temperature Protective Coatings

Cao Ben1,2, Huang Zhenyi2, Niu Yaran1, Xie Lingling1,2, Zheng Xuebin1

(1.Key Laboratory of Inorganic Coating Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Science,Shanghai 200050, China； 2.Metallurgical Engineering College, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)

Abstract:The effect of different thickness combinations of ZrO2 coating and W coating on the transient circumferential flow pressure and velocity of gas vane are investigated by computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation software Fluent. The results show that the strongest shock wave happened at the leading edge of gas vane, where pressure achieves the highest, but velocity is the lowest. Gas flow is disturbed by the shape of gas vane, which makes dilatation wave appear at both sides of the leading edge and training edge, where pressure decreases abruptly, but velocity increases remarkable. While wall effect caused by the increasing thickness of ZrO2 coating and W coating, which improves the resistance ability of gas vane to shock wave, but the strength of dilatation wave is enhanced. The results have certain significance to explore the protection of gas vane with plasma sprayed coatings.

Key words:gas vane; plasma-spray; circumferential flow field; numerical simulation

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.013

收稿日期：2015-06-14

基金項目：國家國際科技合作專項基金項目(2013DFG522PD)； 中國科學院特種無機涂層重點實驗室開放課題基金項目(KLICM-2013-09)

作者簡介：曹奔(1990-)，男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為高溫防護涂層研究。

中圖分類號:TJ760.3+52;V435

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0069-04