比例式高温燃料流量控制阀温度场分析.doc

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1、比例式高温燃料流量控制阀温度场分析李永红，李松晶，臧增为哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001摘要：利用COMSOLMultiphysics软件的热传导模块(HEATTRANSFER)，对比例式高温燃料流量控制阀的稳态温度场分布进行仿真，给出阀内温度场分布情况，进而为阀的结构设计、改进及试验研究提供理论依据。关键词：比例式高温燃料流量控制阀温度场分析COMSOLMultiphysics0前言*在航空发动机中比例式高温燃料流量控制阀（以下简称高温阀）控制燃料的供给。当高温燃料通过阀体时会使阀体温度升高同时产生热应力和热应变，影响阀的正常工作

2、。因此对高温阀的温度场进行试验研究对保证阀的正常工作及结构改进有十分重要的意义。COMSOLMultiphysics是一款专业有限元数值分析软件，是基于偏微分方程的对科学和工程问题进行建模和仿真计算的交互开发环境系统。本文将利用COMSOLMultiphysics的热传导模块(HEATTRANSFER)对高温阀的温度场分布进行仿真。1高温阀工作原理及材料的选取1.1高温阀的结构及其工作原理高温阀的结构示意图如图1所示。图1高温阀剖面图高温阀主要由有阀芯、阀套和阀体三部分组成。阀芯在比例电磁铁的驱动下左右移动控制阀口的开度，控制燃料的流量。当阀打开时，

3、高温燃料沿图中箭头所示的方向进入阀体，通过阀芯，最后经节流控制口流出。1.2高温阀材料的选取及性质高温阀在工作时，通过阀体的燃料温度达到700K，压力为4MPa，流量为。考虑到高温阀的工作特点，合理选择材料非常重要。所选材料必须具有耐高温、耐高压、热膨胀系数低等特点。GH783合金是新研制的抗氧化低膨胀高温合金。GH783合金强度高、耐高温且热膨胀系数低，适于制造需要高温零间隙的控制构件。故选用GH783合金作为阀体、阀套和阀芯的材料。选择氮气气源作为试验气体代替高温燃料。二者物理性质详见表（1）。表（1）材料物理性质性质氮气阀材料密度比热容热导率压

4、力—温度—动力黏度—运动粘度—2热量传递的形式及数学模型2.1热量传递的形式热量的传递形式有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。热传导是指当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动传递热量的现象。热对流是指流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流；而由于机械（泵或风机等）的作用或其他压差而引起的相对运动成为强迫对流。实际上热对流同时伴随着导热，构成复杂的热量传递过程。工程上遇到的流体流过固体壁时

5、的热传递过程，是热对流和导热联合作用的热量传递过程，称为表面对流传热。在阀稳定工作时，高温气体快速通过阀体，在气体与阀的各个元件的接触面的热传递就属于表面对流传热。热辐射是指由于热的原因，物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程。2.2热传导和热对流的微分方程及边界条件一.导热微分方程一.导热微分方程导热微分方程揭示了连续物体内温度分布与空间坐标和时间的内在联系，其形式如式（1）所示：（1）式中：——内热源强度；——温度的拉普拉斯算子，即：。二.对流层对流传热微分方程组：1.连续性方程：（2）2.动量微分方程：（3）3.边界层能量微分方程：（4）

6、式中：为热扩散率。4.对流传热微分方程：（5）式中：——x处的对流传热系数，；——壁面温度，K；——流体温度，取流道x处流动截面上流体的平均温度，K。式（2）~式（5）构成了边界层对流传热微分方程组。三.边界条件边界条件分为三类：第一类：给定物体边界处的温度或表面传热情况。如边界上的温度为常数；第二类：给定物体边界上任何时刻的热流密度分布。如边界上的热流密度为零，即边界绝热；第三类：给边界与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度。3温度场分析3.1有限元模型高温阀的3D模型的剖面图如图2所示：图2高温阀的3D模型由图2可知阀芯、阀套的截面为轴对称图

7、形，因此建立温度场分析模型时可以对其进行简化，对其轴对称的2D进行建模和仿真。简化后的有限元分析模型，如图3所示（图中编号为边界序号）。图3Comsol建模模型3.2边界条件的确定（一）高度接触边界由于阀芯和阀套及阀套和阀体之间紧密接触，故两个原件间可近似为连续体，给定边界上下两侧的热流密度相同。（二）绝热边界阀体左右两侧的外边界以及阀芯、阀套左右两侧由于安装了绝热片，故采用绝热边界。（三）热传导边界对阀体的10、11、12、13四处的边界的传热方式为热传导，其热流密度恒定，为第二类边界条件。（四）热对流边界高温气体流过金属表面，通过对流与金属进行热

8、交换，由表面传热系数来描述。本文中的高温气体在泵的作用下通过阀体，对流传热形式按照管内强迫对流传热计算。气体