燃氣舵表面ZrO2涂層熱-結構耦合分析*

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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燃氣舵表面ZrO2涂層熱-結構耦合分析*

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:基于流體計算軟件FLUENT和有限元分析軟件ANSYS對燃氣舵表面ZrO2涂層進行了熱-結構耦合的分析,主要對不同厚度(0.5 mm,1.0 mm和1.5 mm)ZrO2涂層表面的瞬態溫度及其引起的相變和熱應力進行了研究。結果表明,ZrO2涂層的厚度增加后應力值增大導致超過其屈服強度以及ZrO2涂層溫度達到相變溫度引發相變是其失效的主要原因;燃氣舵的失效與ZrO2涂層的失效密切相關。計算結果對探究“消熔舵”技術中ZrO2涂層及燃氣舵的失效行為有一定的指導意義。

關鍵詞:燃氣舵;等離子噴涂;熱-結構耦合;數值計算

0引言

燃氣舵是工作于導彈燃氣噴流中的特殊翼，其通過在燃氣射流中偏轉產生的推力來控制導彈的飛行方向和姿態角，從而對空空導彈和垂直發射導彈進行推力矢量控制[1]。由于燃氣舵工作于高溫(1600K～2400K)、超聲速(馬赫數為2～4)射流環境中，為了保證其不會過早的發生變形失效，其必須足夠的抗燒蝕和耐沖刷的能力[2]。雖然燃氣舵能較快的實現導彈的俯仰、 偏航和滾轉，但其在導彈的飛行過程也會產較大的附加阻力。而運用“消熔舵”[3]技術對消除這種阻力的影響有顯著幫助。“消熔舵”技術即在燃氣舵完成服役要求后，若其某部分材料的溫度高于其消熔溫度后會自行熔化,其余部分繼續接受高溫、超聲速燃氣流的沖刷,最終達到完全消熔的目的。

文中燃氣舵材料為鈦合金,是因為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[4]。運用等離子體噴涂技術,在鈦合金燃氣舵上噴涂3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作為難熔金屬,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[5]。ZrO2涂層主要用于隔熱,防止燃氣舵溫度升高過快。

從“消熔舵”技術中材料失效的角度考慮,對ZrO2涂層瞬態相變和熱應力進行研究:YSZ(ZrO2-6～8wt.%Y2O3)工作溫度超過1 500K[6]后會發生四方相向單斜相的馬氏體相變,并伴隨著4.5%的體積的膨脹和6%的切變,使得材料的抗熱震性能大大降低而導致材料開裂[7]。若溫度過高引起涂層中的熱應力過大,也有可能超過其屈服強度使涂層失效。同時,鈦合金在一定的環境溫度、壓力和氣流速度條件下會發生燃燒,從燃燒開始到結束僅4～20s[4]。而W涂層耐粒子沖刷及耐高溫能力較強,故文中未考慮其失效行為。

針對上述問題,文中基于流體計算軟件FLUENT與結構分析軟件ANSYS,對燃氣舵表面不同厚度的ZrO2涂層進行了熱-結構耦合分析,以期獲得ZrO2涂層相變和熱應力對“消熔舵”技術的影響。

1研究方法

1.1計算模型

圖1　計算區域模型

由于燃氣舵安裝在噴管出口處,并不會對上游氣流參數產生影響,為了得到高溫、高壓的超聲速氣流對ZrO2涂層及燃氣舵熱效應的影響,文中在流場分析中對整個問題進行適當的簡化[5],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;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,設定環境總壓和總溫參數;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。

計算中保持內層W涂層厚度為0.2mm,外層W涂層厚度為1.5mm,對不同厚度(0.5mm、1.0mm和1.5mm)的ZrO2涂層進行研究。取Y=-300mm位置對涂層及燃氣舵的內部溫度進行分析。流場參數見表1,涂層及燃氣舵的材料參數見表2。

表1　流場基本參數

表2　涂層及燃氣舵材料參數

1.2計算過程及相關假設

基于非結構網格生成技術建立文中的計算模型。選擇三維黏性k-εRNG湍流模型作為求解基礎進行計算。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。

對燃氣舵及涂層熱效應的研究中,取ZrO2涂層失效溫度區間為1 300～1 500K。進行熱-結構耦合的分析時,將FLUENT溫度場數據導入ANSYS結構分析軟件,刪去燃氣區域網格,僅對固體域(ZrO2涂層及燃氣舵)進行求解。

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燃氣舵表面不同厚度ZrO2涂層溫度場計算結果

圖2為不同厚度ZrO2涂層和燃氣舵瞬態溫度計算結果。由圖2(a)可見,氣流沖刷開始階段1s時,ZrO2涂層表面溫度均為500K。隨著沖刷不斷進行不同厚度ZrO2涂層表面溫度升高速率急劇加快,且溫度變化速率趨于一致,溫差為200K。由圖2(b)可見,氣流沖刷開始階段2s時,ZrO2涂層厚度為0.5mm和1.0mm的燃氣舵表面溫度變化相同。隨著ZrO2涂層溫度不斷升高,3s后,燃氣舵表面溫度出現明顯差別,溫差達200K。

由圖2可見,ZrO2涂層厚度增加后,燃氣舵基體失效時間開始晚于ZrO2涂層。ZrO2涂層和燃氣舵基體表面溫度升高速率明顯減緩,最長耐沖刷時間達到8s和8.5s。

圖2　不同厚度ZrO2涂層和燃氣舵基體瞬態溫度

3燃氣舵及ZrO2涂層應力場計算結果

3.1不同厚度ZrO2涂層的應力場計算結果

圖3　不同厚度ZrO2涂層的瞬態應力場

圖3為燃氣舵表面不同厚度ZrO2涂層應力場瞬態計算結果。由圖3可見,ZrO2涂層前緣中心為應力集中部位,因為此處燃氣流強烈滯止,馬赫數接近于零,但溫度、壓力達到最高。由圖3(a)可見,ZrO2涂層厚度為0.5mm時,5s時溫度達到其相變溫度1 300K,應力極值為107.2MPa;7s時溫度已經超過設定的失效溫度范圍達到1 700K,應力極值為134.9MPa。而ZrO2涂層的屈服強度為138MPa[8],此時應力極值仍未達到其屈服強度。可見,厚度為0.5mm的ZrO2涂層的失效原因主要是其溫度升高過快發生相變導致的。由圖3(b)可見,ZrO2涂層厚度為1.0mm時,5s時應力極值為116.4MPa,溫度為1 150K,接近ZrO2涂層的相變溫度;7s時溫度已經達到1 500K,應力極值為141.3MPa,略大于ZrO2涂層的屈服強度(138MPa)。可見,厚度為1.0mm的ZrO2涂層的失效原因是其相變和熱應力共同作用的結果。由圖3(c)可見,ZrO2涂層厚度達到1.5mm后,5s時應力極值為131.7MPa,溫度為900K;7s時溫度為1 300K,剛達到其相變溫度,而應力極值為154.9MPa,已經超過其屈服強度。可見,厚度為1.5mm的ZrO2涂層的失效原因主要是其熱應力導致的。

3.2燃氣舵表面應力場計算結果

圖4為不同厚度ZrO2涂層的燃氣舵表面應力場瞬態計算結果。由圖4可見,燃氣舵在ZrO2涂層保護下溫度較低,前緣中心仍是應力集中的部位。由圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可見,9s時,ZrO2涂層厚度為0.5mm、1.0mm和1.5mm的燃氣舵應力極值分別為357.6MPa、284.3MPa和306.5MPa,遠小于鈦合金的屈服強度896.4MPa[9]。可見,燃氣舵的失效主要與ZrO2涂層的失效有關,ZrO2涂層失效后,燃氣流直接對燃氣舵沖刷,直至燃氣舵發生“鈦火”燃燒而“消熔”。

圖4　不同厚度ZrO2涂層的燃氣舵基體瞬態應力場

4結論

基于FLUENT流體計算軟件及ANSYS結構分析軟件,對表面加有不同厚度的ZrO2涂層和燃氣舵進行熱-結構耦合計算,可得出如下結論:

1)ZrO2涂層厚度增加后,其失效原因與溫度變化導致的熱應力和發生相變均有關。所以選擇ZrO2涂層厚度時需綜合考慮這兩方面因素的影響。

2)燃氣舵的失效與ZrO2涂層的失效密切相關。ZrO2涂層失效開裂后剝落,燃氣舵發生“鈦火”燃燒為其主要的失效原因。

3)利用兩個軟件各自的優勢,實現了流場、熱的雙向耦合及流場、熱到結構的單向耦合,對“消熔舵”技術的探索具有可行性,有助于預測添加ZrO2涂層后的燃氣舵在服役環境中的瞬態傳熱及熱-結構行為。

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*收稿日期:2015-04-13

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

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

中圖分類號:V435

文獻標志碼:A

CoupledThermalandStructuralAnalysisofGasVanewithPlasma-sprayedZrO2Coating

CAOBen1,2,HUANGZhenyi2,NIUYaran1,XIELingling1,2,ZHENGXuebin1

(1KeyLaboratoryofInorganicCoatingMaterials,ShanghaiInstituteofCeramics,ChineseAcademyofScience,Shanghai200050,China; 2SchoolofMetallurgicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnology,AnhuiMaanshan243002,China)

Abstract:Coupled thermal and structural analysis of gas vane with plasma-sprayed ZrO2 coating was investigated based on computational fluid dynamics (CFD)numerical simulation software FLUENT and finite element method(FEM)analysis software ANSYS. Phase transformation and thermal stress along with the transient temperature of ZrO2 coating with different coating thickness (0.5 mm, 1.0 mm and 1.5 mm, respectively) were mainly discussed. The results show that the stress of ZrO2 coating increases with increasing the thickness of ZrO2coating, when it reaches the yield point would lead to failure of ZrO2 coating. Simultaneously, reaching the phase transition temperature is as well an important factor for failure of ZrO2 coating. Failure of gas vane is closely related to failure of ZrO2 coating. The result is of certain guiding significance to explore failure of ZrO2 coating and gas vane in “melting vane” technique.

Keywords:gas vane; plasma spray; coupled thermal and structural analysis; numerical simulation