缝隙-腔体密封结构在高速气流冲击下的整体流动、传热特性分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252012V01．33No．134-43ISSN1000．．6893ON11．．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：i000—6893(2012)01—0034一10缝隙一腔体密封结构在高速气流冲击下的整体流动、传热特性分析沈淳1，夏新林1’*，曹占伟2，于明星21．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨1500012．北京临近空间飞行器系统

2、工程研究所，北京100076摘要：根据高马赫数流场特征参数变化快、固态场特征参数变化慢的特性，编制开发了针对高速气流的“半解耦”显式流固耦合近似计算程序，并通过数值方法分析了该方法的计算误差，分析结果显示其能够较准确地模拟高速流场与固态场长时间非稳态耦合问题。在此基础上，运用“半解耦”流固耦合方法数值模拟了高速气流横掠缝隙一腔体典型密封结构的非稳态过程，并与相关实验测试数据进行了对比，验证了程序可靠性。随后，进一步分析了气流侵入密封结构的主要特性，总结了密封结构内、外流场中气流温度、压力和速度的分

3、布特征以及其随时间的变化规律，研究了密封结构中加热板气动热流随时间的变化规律，探讨了密封结构中固体温度场分布特征及其随时间积累的变化规律等。最终，计算结果说明了密封体的结构布局对其内部热状况的决定性影响。关键词：流固耦合；高速气流；数值模拟；密封结构；非稳态过程中图分类号：V211文献标识码：A自1980年挑战者号航天飞机由于密封圈失效而失事后，国外相关研究机构进一步提升了对航空、航天设备中密封结构安全性能的重视程度。对于飞行器内部热密封结构，通过改进动、静密封结构，可以提高装置整体效率。文献[1

4、]～文献[-33分别介绍了国外相关研究机构在实验模拟涡轮发动机的真实工况条件下，测量涡轮发动机中密封结构的状态参数，从而为发动机设计提供相应的数据支持。国内，2006年，苏华‘43和王旭[5]针对指尖密封结构系统的性能进行了理论分析和实验研究。对于飞行器外部密封结构，如何保证其在外部巨大气动热流加热条件下，能够长时间、反复安全地使用，成为飞行器结构设计过程中的关键问题。其中，文献E63介绍了美国国家航空航天局(NASA)启动的重新设计固体火箭发动机(RSRM)计划，为了确认航天飞机发动装置上密封结

5、构的安全性能，对16000多个密封器件进行了测试。对于再入飞行器外部密封结构，需要在长达百秒甚至千秒的非稳态再入过程中，经受超声速气流的冲击，承载巨大气动热流加热。2005年，Edward等[71就指出现代航天飞机需要能够承受13001400℃高温的密封结构，未来飞行器密封结构设计需要同时满足耐高温、低泄露和可长时间重复利用等要求。由于实验测试耗费巨大以及实验方法手段的不完善，通过数值模拟分析密封结构中流动、传热过程成为其结构设计过程中的重要依据。收稿日期：2011-04—18；退修日期：2011

6、-05-06：录用日期：2011-06-03；网络出版时间：2011-06-1513：22罔络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110615．1322．005．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110615．1322．005基金项目：国家自然科学基金(90816022)*通讯作者．Tel．：0451-86412148E-mail：xiaxl@hit．e由．∞羽履掺武

7、ShenC．XiaXL，CaoZW．etal．Analysisoff

8、lowandheatcharacteristicsofseals拥曲孵withgapandcavityiJndertheimpactofhighspeedairflow．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012．33(1)：3443．沈淳．夏新棘．营占伟．等．缝踩．腔体密封结构在高速气漉冲击下的整体漉动。传热特性分析．航空学报，2012．33t1)：34-43．沈淳等：缝隙胖体晰’f结构神：l嗨述，n缸冲．h-r的糌体流功，传热特州o}析由于密封的结构特征，

9、其流动、传热过程是在多物态问耦合进行的，凶此．需要运用流固耦合方法对其进行数值模拟。流固耦合计算方法主要分为两种”o：流、同两场分别求解，通过边界进行信息交换的显式耦合方法和流、同两场同时求解的隐式耦合方法。本文采用显式耦合方法进行耦合计算。由于气、固两相物性的不同，气相、同相的非稳态耦合问题，造成计算特征时间相差很大，计算过程中以相同的时间步进行计算，计算量巨大，需要对计算方法进行近似处理。文献[9]中忽略特征时间较小的流场时间变化细节，研究了高速飞行器流场和固体结构温度场一体化