1 前言

    隨著現代科技的飛速發展，工業裝備日趨高參數化和大型化，工況條件越來越惡劣。尤其在航天領域，所涉及的管路系統或裝置越來越復雜，高溫閥門的應用越來越廣泛。本文主要針對用于風洞試驗的超高溫閥閥座的換熱性能進行研究，該閥門安(an)裝在(zai)空(kong)(kong)氣加熱(re)器出口至超聲速風洞(dong)進氣口的連接管(guan)路(lu)上，在(zai)風洞(dong)試驗中用于啟動(dong)和(he)關閉(bi)風洞(dong)高(gao)溫(wen)空(kong)(kong)氣源。閥(fa)(fa)座(zuo)內(nei)腔流道通高(gao)溫(wen)空(kong)(kong)氣，為了降低閥(fa)(fa)座(zuo)表(biao)面的溫(wen)度和(he)減小溫(wen)差應力，在(zai)其外壁開設矩形小槽道并在(zai)槽內(nei)通冷卻水(shui)，以強化對流換熱(re)，對于如此超高(gao)溫(wen)閥(fa)(fa)閥(fa)(fa)座(zuo)的換熱(re)是(shi)一個較(jiao)為復(fu)雜的過程(cheng)。

    國內(nei)對(dui)于(yu)(yu)矩(ju)形小槽(cao)(cao)道換熱性能(neng)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)尚且不(bu)多，尤其是將矩(ju)形小槽(cao)(cao)道應用(yong)(yong)到閥(fa)門領域(yu)。羅小平等通(tong)(tong)過對(dui)不(bu)同尺(chi)寸(cun)(cun)槽(cao)(cao)道的(de)(de)(de)換熱性能(neng)進行(xing)(xing)試驗研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，結(jie)果發現水(shui)力直徑為(wei)2mm的(de)(de)(de)矩(ju)形小槽(cao)(cao)道在(zai)對(dui)流(liu)(liu)傳(chuan)熱方面(mian)與常規(gui)(gui)尺(chi)寸(cun)(cun)槽(cao)(cao)道接近，對(dui)于(yu)(yu)本文所研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)閥(fa)座矩(ju)形槽(cao)(cao)道可(ke)采用(yong)(yong)傳(chuan)統常規(gui)(gui)尺(chi)寸(cun)(cun)經典理論(lun)進行(xing)(xing)分析計算。本文主要目的(de)(de)(de)在(zai)于(yu)(yu)，通(tong)(tong)過對(dui)多種不(bu)同尺(chi)寸(cun)(cun)矩(ju)形槽(cao)(cao)道在(zai)不(bu)同流(liu)(liu)量下的(de)(de)(de)傳(chuan)熱進行(xing)(xing)試驗研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)和理論(lun)分析，揭示閥(fa)座換熱與槽(cao)(cao)道尺(chi)寸(cun)(cun)及冷卻水(shui)流(liu)(liu)量之間的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，并(bing)通(tong)(tong)過優化得出最(zui)佳(jia)換熱性能(neng)時(shi)冷卻水(shui)流(liu)(liu)量與槽(cao)(cao)道尺(chi)寸(cun)(cun)的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，供(gong)以后的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)參(can)考。

    2 閥座結構與傳熱過程

    2.1 閥座結構與工質參數

    閥(fa)(fa)座(zuo)的(de)結構如圖1所示，閥(fa)(fa)座(zuo)內腔流(liu)道(dao)直徑為(wei)150mm，閥(fa)(fa)座(zuo)外(wai)壁均(jun)勻開設50個尺寸為(wei)10mm×5mm的(de)矩形(xing)小槽(cao)道(dao)，閥(fa)(fa)座(zuo)長為(wei)400mm，閥(fa)(fa)座(zuo)壁厚為(wei)5mm。由(you)于工質溫度很高，閥(fa)(fa)座(zuo)材料選擇鋯青銅，閥(fa)(fa)座(zuo)外(wai)層敷設絕熱(re)材料以減少熱(re)量散失。

圖1 閥座結構示意

    閥座(zuo)內腔流道(dao)工質(zhi)為高溫(wen)空(kong)氣，進(jin)氣溫(wen)度(du)為1500℃，工作壓(ya)力5MPa，流速為60m/s；閥座(zuo)外壁(bi)槽道(dao)工質(zhi)為冷(leng)卻水，進(jin)口水溫(wen)為10℃。

    2.2 傳熱過程

    閥(fa)座總(zong)傳熱(re)過(guo)程如圖2所(suo)示(shi)，閥(fa)座內(nei)(nei)腔流道的(de)高(gao)(gao)溫(wen)空(kong)(kong)氣(qi)高(gao)(gao)進低出(chu)(chu)，為(wei)達(da)到充分換熱(re)，冷(leng)卻水通(tong)過(guo)閥(fa)座下部(bu)的(de)分配管道進入到閥(fa)座外(wai)壁的(de)矩(ju)形小槽道低進高(gao)(gao)出(chu)(chu)。閥(fa)座內(nei)(nei)壁與高(gao)(gao)溫(wen)空(kong)(kong)氣(qi)、小槽道里(li)的(de)冷(leng)卻水與閥(fa)座外(wai)壁均為(wei)管內(nei)(nei)強制對流換熱(re)，閥(fa)座內(nei)(nei)外(wai)壁為(wei)熱(re)傳導。

圖2 閥(fa)座總(zong)傳(chuan)熱過程(cheng)

    3 理論分析與試驗研究

    3.1 理論分析

    根據要求，冷卻(que)(que)水出(chu)(chu)(chu)口溫度應小于單(dan)相(xiang)流(liu)的最高(gao)(gao)溫度100℃，高(gao)(gao)溫空氣出(chu)(chu)(chu)口溫度應大于進行風洞實驗的最低溫度1465℃，閥座(zuo)壁(bi)(bi)面最高(gao)(gao)溫度不得(de)超過(guo)300℃，以保證不被高(gao)(gao)溫氧化。對(dui)閥座(zuo)進行理論(lun)分析(xi)，目的是(shi)為計(ji)算冷卻(que)(que)水出(chu)(chu)(chu)口溫度、高(gao)(gao)溫空氣出(chu)(chu)(chu)口溫度及閥座(zuo)內壁(bi)(bi)溫度。

    假定(ding)已知冷(leng)(leng)卻水(shui)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)的出(chu)口溫(wen)(wen)度(du)，由管內強制(zhi)對流換熱準(zhun)則、傅里葉定(ding)律(lv)及熱量(liang)傳遞過程(cheng)中能量(liang)守(shou)恒定(ding)理(li)得出(chu)相關(guan)方程(cheng)，根(gen)據已有條件校核冷(leng)(leng)卻水(shui)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)出(chu)口溫(wen)(wen)度(du)。具(ju)體過程(cheng)如下：對冷(leng)(leng)卻水(shui)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)的出(chu)口溫(wen)(wen)度(du)分(fen)別進行假設，分(fen)別得出(chu)冷(leng)(leng)卻水(shui)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)的平(ping)均(jun)溫(wen)(wen)度(du)，從而(er)確定(ding)相關(guan)物性參數。

    冷卻水(shui)的平均溫度(du)：

    T=（T_in+T_out）/2    （1）

    式中  T———冷卻水的平均溫度，K

    T_in、T_out———冷卻水(shui)進、出口溫度，K

    高溫(wen)空氣的平均溫(wen)度：

    T_f=（T_{f_in}+T_{f_out}）/2     （2）

    式中  T_f———高(gao)溫空氣平均(jun)溫度，K

    T_{f_in}、T_{f_out}———高溫空氣進(jin)、出口(kou)溫度，K

    根據管內(nei)(nei)強(qiang)制對流(liu)(liu)換熱準則，分別計算出(chu)閥(fa)座內(nei)(nei)腔(qiang)流(liu)(liu)道高溫空氣(qi)和(he)閥(fa)座外壁槽道冷卻(que)水的(de)雷諾數，經判定，均(jun)為湍(tuan)流(liu)(liu)，故可以(yi)選擇格尼林(lin)斯基(ji)關(guan)聯式分別求得兩種工(gong)質(zhi)的(de)努塞爾數，進而(er)求出(chu)兩種工(gong)質(zhi)與壁面的(de)對流(liu)(liu)換熱系(xi)(xi)數。經整理(li)得冷卻(que)水與槽道壁的(de)對流(liu)(liu)換熱系(xi)(xi)數：

        （3）

    式中  h———水對流換熱系數，W/（m²•K）

    q_m———水的質量(liang)流量(liang)，kg/s

    n———槽道個數

    ρ———水的密度，kg/m³

    ν———水的運動粘度，m²/s

    d_e———槽道水(shui)力直(zhi)徑(jing)，m

    λ———水的(de)導熱系數(shu)，W/（m•K）

    Pr———水(shui)的普朗特數(shu)

    C_l———閥座外壁槽道(dao)短(duan)管修正(zheng)系數

    C_r———閥座(zuo)外壁槽(cao)道彎管(guan)修正系數

    C_t———閥座(zuo)外壁(bi)槽道溫差修正系數

    高溫空氣與(yu)流(liu)道壁的(de)對流(liu)換熱系數：

        （4）

    式中  h_f———高溫空氣換熱系數，W/（m²•K）

    u_f———高溫空(kong)氣流(liu)速，m/s

    d———閥座內腔流道(dao)直徑，m

    λ_f———高溫空氣導熱系數(shu)，W/（m•K）

    ν_f———高溫空氣運動粘度，m²/s

    P_rf———高(gao)溫空氣(qi)普朗(lang)特數

    C_fl———閥座內腔流道短管(guan)修(xiu)正系數

    C_fr———閥座內腔流道彎管修正系數(shu)

    C_ft———閥座內腔流(liu)道溫差修正系(xi)數

    在實際(ji)工程應用中，可將(jiang)該超高溫(wen)閥座(zuo)(zuo)導熱體近似認為(wei)是(shi)圓(yuan)筒(tong)壁，由傅里(li)葉定律求得閥座(zuo)(zuo)壁面溫(wen)差。

    流道內(nei)(nei)壁(bi)與槽道內(nei)(nei)壁(bi)溫差(cha)：

       （5）

    式中T_W1———閥座(zuo)內壁溫度，K

    T_W2———閥座外壁溫(wen)度，K

    δ———壁厚(hou)，mm

    λ_s———閥座材料導熱系數，W/（m•K）

    根據熱(re)量傳遞(di)過程中(zhong)能量守恒(heng)的定理，閥(fa)座內(nei)腔流道高溫(wen)空氣的散熱(re)量等于閥(fa)座壁面導熱(re)量，也必(bi)然等于閥(fa)座外壁槽道冷卻水的對流換熱(re)量。

    閥座整體換熱量：

    式中  Q———閥座整體換(huan)熱(re)量，W

    c_p———水的定(ding)壓比熱，J/（kg•K）

    L———槽(cao)長(chang)，m

    c_pf———高溫空氣定(ding)壓比(bi)熱，J/（kg•K）

    ρ_f———高溫空氣的密度，kg/m³

    根據已有閥座特性、冷卻水(shui)進(jin)口(kou)(kou)溫(wen)(wen)度和高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)(qi)進(jin)口(kou)(kou)溫(wen)(wen)度、冷卻水(shui)流量和高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)(qi)流速等，由方(fang)程組(zu)（1）～（9）校(xiao)核出口(kou)(kou)水(shui)溫(wen)(wen)和高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)氣(qi)(qi)出口(kou)(kou)溫(wen)(wen)度，并計算出閥座內壁溫(wen)(wen)度。

    3.2 試驗研究

    整個試驗系統如圖(tu)3所示。

圖3 試驗系統

    冷卻水由水源流出，經調節閥調至(zhi)合適流(liu)量(liang)后，進(jin)入到試(shi)驗段的(de)閥(fa)座(zuo)矩(ju)形槽(cao)中，當高溫(wen)(wen)空氣流(liu)經試(shi)驗段的(de)閥(fa)座(zuo)中腔通道時，則會與冷卻水進(jin)行對流(liu)換熱(re)。試(shi)驗段裝有溫(wen)(wen)度測(ce)量(liang)系統(tong)，可對冷卻水和(he)高溫(wen)(wen)空氣進(jin)的(de)出口溫(wen)(wen)度及閥(fa)座(zuo)壁面溫(wen)(wen)度進(jin)行測(ce)量(liang)。

    3.3 試驗與理論結果對比

    試驗時，通過控制調節閥使得泵的(de)質量(liang)流量(liang)分別為1、2、3kg/s，試(shi)驗(yan)進行(xing)時間均(jun)為10min，此(ci)時閥(fa)座壁(bi)面溫(wen)度均(jun)已達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)，同時對3種不同流量(liang)下閥(fa)座的(de)換(huan)熱(re)進行(xing)理(li)論(lun)計算。所(suo)(suo)得出的(de)試(shi)驗(yan)值(zhi)和理(li)論(lun)值(zhi)如(ru)表1所(suo)(suo)示。

表1 開10mm×5mm矩形槽閥(fa)座的參數

    通過試驗研(yan)究和(he)理論分析得知：最大誤差不超過5%，理論值(zhi)與實驗值(zhi)基本吻合。為研(yan)究方便，可(ke)進一步采(cai)用對流換熱理論分析不同槽道(dao)尺寸及(ji)不同冷(leng)卻(que)水流量下閥座的換熱特性(xing)。

    4 換熱性能研究

    4.1 換熱特性評價

    設(she)計7種槽道水力(li)直徑，分(fen)別為5、6、6.667、7.143、7.5、7.778、8mm，對每(mei)一尺(chi)寸閥座進行分(fen)析時，分(fen)別調節(jie)冷卻水流量(liang)至1、1.5、2、2.5、3kg/s。

    圖4、5分別(bie)表示閥(fa)座內壁(bi)溫(wen)(wen)度和高(gao)溫(wen)(wen)空氣出口溫(wen)(wen)度隨槽道水力直徑及冷卻水流量的變化趨勢。

圖4 閥座內壁溫度與槽道水力直徑及(ji)流量的關系

圖5 高(gao)溫空氣出口溫度與槽道(dao)水力直徑及流量(liang)的關(guan)系

    從圖可以看出(chu)在相同(tong)流量條件(jian)下，閥(fa)座(zuo)(zuo)流道內(nei)(nei)壁溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)(kong)氣(qi)出(chu)口(kou)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)均隨(sui)槽道水力直徑的(de)增(zeng)大(da)(da)而逐(zhu)漸增(zeng)大(da)(da)。在相同(tong)槽道水力直徑條件(jian)下，閥(fa)座(zuo)(zuo)內(nei)(nei)壁溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)(kong)氣(qi)出(chu)口(kou)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)均隨(sui)流量的(de)增(zeng)大(da)(da)而減小。閥(fa)座(zuo)(zuo)內(nei)(nei)壁溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)均小于300℃，符合閥(fa)座(zuo)(zuo)材料溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)使用要(yao)求，高(gao)溫(wen)(wen)空(kong)(kong)氣(qi)出(chu)口(kou)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)變化較(jiao)小，且都大(da)(da)于1465℃，能(neng)滿足(zu)風洞(dong)試驗要(yao)求。

    圖6表示閥座(zuo)外壁槽(cao)道冷卻(que)水(shui)(shui)出口溫(wen)度隨槽(cao)道水(shui)(shui)力直徑(jing)及冷卻(que)水(shui)(shui)流(liu)量的變(bian)化(hua)趨勢。可(ke)以(yi)看出在(zai)相同流(liu)量條件下，冷卻(que)水(shui)(shui)出口溫(wen)度隨槽(cao)道水(shui)(shui)力直徑(jing)的增大整(zheng)體呈現減小(xiao)的趨勢。在(zai)相同槽(cao)道水(shui)(shui)力直徑(jing)條件下，流(liu)量越大，出口水(shui)(shui)溫(wen)越小(xiao)。出口水(shui)(shui)溫(wen)均小(xiao)于100℃，能(neng)保證冷卻(que)水(shui)(shui)為單相流(liu)。

圖6 冷卻(que)水出口(kou)溫度與槽道水力(li)直徑及流量的(de)關系

    4.2 換熱性能優化

    通(tong)過對流(liu)(liu)(liu)換(huan)熱(re)理論得出(chu)不(bu)同槽(cao)道(dao)水(shui)(shui)力直徑和不(bu)同冷(leng)卻水(shui)(shui)流(liu)(liu)(liu)量(liang)下的(de)閥(fa)座換(huan)熱(re)特(te)性(xing)，在(zai)(zai)所研究的(de)范(fan)圍內，能保證閥(fa)座外壁槽(cao)道(dao)冷(leng)卻水(shui)(shui)為(wei)(wei)單相(xiang)流(liu)(liu)(liu)，出(chu)口高溫(wen)空(kong)氣溫(wen)度能滿足風洞試驗要求，同時閥(fa)座內壁不(bu)會被(bei)高溫(wen)氧化(hua)。由于不(bu)同水(shui)(shui)力直徑及不(bu)同冷(leng)卻水(shui)(shui)流(liu)(liu)(liu)量(liang)下的(de)冷(leng)卻水(shui)(shui)和高溫(wen)空(kong)氣的(de)進出(chu)口溫(wen)度可(ke)由圖5和圖6查得，為(wei)(wei)更好了(le)解(jie)閥(fa)座的(de)整體換(huan)熱(re)性(xing)能，定義換(huan)熱(re)性(xing)能ε為(wei)(wei)實際(ji)傳熱(re)量(liang)與(yu)理想傳熱(re)量(liang)之比(bi)，也可(ke)表(biao)示(shi)為(wei)(wei)冷(leng)流(liu)(liu)(liu)體或熱(re)流(liu)(liu)(liu)體在(zai)(zai)閥(fa)座中(zhong)的(de)實際(ji)溫(wen)度差值(zhi)的(de)大者(zhe)與(yu)流(liu)(liu)(liu)體在(zai)(zai)閥(fa)座中(zhong)可(ke)能發生的(de)最大溫(wen)度差值(zhi)的(de)比(bi)值(zhi)。

        （10）

    顯然，換熱性能ε與槽道的水力直徑d_e及冷卻水流量q_m密切相關。為保證槽道內冷卻水為單相流，ε的最大值為6%。以d_e為X軸，q_m為Y軸(zhou)，通過Matlab擬合(he)出關于(yu)(yu)換熱(re)性能ε的三維(wei)曲面，如圖7所(suo)示。分析換熱(re)性能時，應控制槽道水力直徑不(bu)(bu)得(de)低于(yu)(yu)3mm，以(yi)保(bao)證(zheng)能采用(yong)常(chang)規理論計(ji)算，且不(bu)(bu)得(de)高于(yu)(yu)8mm，以(yi)保(bao)證(zheng)閥座不(bu)(bu)被高溫氧(yang)化。

圖7 閥(fa)座換熱性(xing)能(neng)與(yu)槽道水力直徑及流量的關系

    由圖7任取(qu)4點關(guan)于ε的最大值，對其(qi)進行擬合(he)，得：

    q_m=－0.0008d²_e－0.0076d_e+0.9799    （11）

    其中，3≤d_e≤8，當d_e和q_m的值滿足方(fang)程（11），則閥座(zuo)換(huan)熱(re)性能(neng)ε達到最(zui)優，可為工程設計提供參考(kao)依據。

    5  結論

    （1）通過試(shi)驗研(yan)究和理(li)論分析(xi)，閥(fa)座(zuo)對流換熱(re)的理(li)論值與試(shi)驗值最大誤差不超過5%。考慮試(shi)驗條件有(you)限(xian)，可直接采用(yong)對流換熱(re)理(li)論分析(xi)閥(fa)座(zuo)換熱(re)性能。

    （2）閥座外(wai)壁(bi)矩形槽道(dao)的水(shui)力直徑及冷卻(que)水(shui)流量(liang)(liang)對閥座的換熱性能影響顯著。水(shui)流量(liang)(liang)一定時，水(shui)力直徑越(yue)大，閥座內(nei)壁(bi)溫(wen)(wen)度(du)、高溫(wen)(wen)空(kong)氣出口(kou)(kou)(kou)溫(wen)(wen)度(du)均越(yue)大，而出口(kou)(kou)(kou)水(shui)溫(wen)(wen)越(yue)小(xiao)；水(shui)力直徑一定時，出口(kou)(kou)(kou)水(shui)溫(wen)(wen)、高溫(wen)(wen)空(kong)氣出口(kou)(kou)(kou)溫(wen)(wen)度(du)及閥座內(nei)壁(bi)溫(wen)(wen)度(du)均隨水(shui)流量(liang)(liang)的增大而減小(xiao)。

    （3）在高溫空氣出口溫度大于風洞實驗最低溫度，且保證冷卻水為單相流，同時所選閥座材料能滿足溫度使用要求的條件下，只要d_e和q_m的值滿(man)足(zu)方程（11），則閥座的換熱性能ε達到(dao)最優。