超燃冲压发动机是发展高超声速技术的关键，以其为动力装置的高超声速巡航导弹、高超声速飞机、空间作战飞行器等对于国防安全、未来空间作战和航天运输都有重要意义。由于超燃冲压发动机具有不同于普通冲压发动机的特殊工作原理，因此必须采用主动热防护方式来冷却发动机壁面，即作为燃烧介质的燃料在进入燃烧室之前，先经过发动机表面对其进行循环冷却后，再进入发动机的燃烧室，因此进入燃烧室前的燃料温度可以达到400～500℃。为保证发动机的正常工作，必须设计一种能够在高温状态下精确控制进入燃烧室的燃料流量的
调节阀。发动机燃料的实时调节对提高发动机的效率、改善发动机的工作模态具有非常重要的意义。因此，本文提出一种比例式高温燃料
流量调节阀，给出了该调节阀的结构及工作原理，并对该调节阀的热力学特性进行了理论分析及试验研究。
在高温环境下，如果采用普通的
流量调节阀对高温介质进行调节，阀芯和阀套由于受热和结构的原因，膨胀大小不一致，会产生阀芯卡死或泄漏量增大等问题，使流量阀无法动作或比例流量调节特性变差。此外，阀体的热量传递到比例电磁铁，将导致比例电磁铁因工作温度过高而无法工作。因而对燃料调节阀内部温度场分布以及高温介质作用下阀芯和阀套配合表面的热力学特性进行理论分析和试验研究，对于高温流量调节阀的结构形状设计及材料选择具有重要的理论指导意义和实际应用价值。
为保证流量阀在400～500℃高温下的工作特性，使用的加工材料需达到下面要求：首先，具有抗高温、抗氧化和耐腐蚀的特性；其次，在高温下其热膨胀系数小而屈服应力大，保证材料具有最小变形量，对阀芯在阀套中的运动特性没有影响。
本文采用有限元分析方法，利用流场和热力场多场耦合分析软件COMSOLMultiphysics，对该高温燃料流量调节阀的温度场分布进行了分析，给出了有限元分析结果，并把这一分析结果与试验结果进行了比较。
一、调节阀结构
高温阀主要由阀芯、阀套、阀体、复位弹簧、端盖、以及密封圈(垫)组成，其结构组成如图1所示。
阀体和阀套上有两个通口分别连接燃料源和发动机燃烧室的喷油口。当阀芯由电磁铁(频率为20Hz)控制，左右移动时，节流口开口量的大小也相应的发生改变。由于采用了比例电磁铁，阀芯的位移大小与电磁铁的电流大小成比例，在忽略阀芯和阀套之间泄漏的情况下可以认为阀的开口量和通过阀的流量与电磁铁的控制电流大小成比例。
比例电磁铁输出的力与复位弹簧的作用力、阀芯和阀套间的摩擦力、燃料的液动力以及密封圈的摩擦力共同作用保持平衡。其中，复位弹簧的作用力远远大于其他作用力。在阀工作时，热膨胀的作用会使摩擦力增大，由此可见，阀材料的选取十分重要。为避免阀体的热量传导到比例电磁铁影响其工作性能，在阀体和电磁铁之间装有耐高温垫圈。为防止燃料通过阀套和阀体的间隙产生泄漏，在二者之间安装有石墨材料制成的高温密封圈。
二、热力学模型
为达到较高的计算精度和求解效率，本文采用有限元方法对高温阀的温度场进行热力学分析。同时为了进一步提高求解效率，对高温阀的结构进行简化，建立其2D轴对称模型，如图2所示。
1、热传导模型
本文中高温阀的热力学问题包含两种热传导形式：导热和对流。阀体对外部环境的热辐射忽略不计。
在固体内部及两固体元件接触面之间的热量传递形式为导热，如阀体、阀套及阀套和阀芯之间的热量传递。而燃料流经阀内固体表面时的热量传递形式为热对流。由于高温燃料是在压力作用下通过流量阀，所以燃料和阀内固体表面之间的对流传热形式为强制对流。
导热的数学模型如式(1)所示：
式中ρ———密度，kg/m
3
c———比热容，J/(kg.K)
k———材料的导热系数，W/(m.K)
q———热源。
由于阀体内部没有热源，阀体，阀套和阀芯之间的二维柱坐标形式的导热微分方程可以表示为式(2)：
流体和固体之间的热量传递，即对流传热量q
c如式(3)所示：
式中 ρf ———流体的密度，kg/m
3
Cp———流体的比热容，J/(kg.K)
Tω———固体表面温度，K
T———流体内靠固液边界层的流体温度，K
Cμ———湍流模型系数
kω———固体表面的湍流动能
其中T
d与边界层尺寸、P
r数和卡曼常数有关。
2、流体动力学模型
流体和固体之间的对流热通量与流体的流场分布以及流体的动量传递有直接的关系。如果模型的几何形式较为简单，可以获得热传系数的较为准确的表达式，则边界处的热传递量可通过计算热传系数模型得到。但是，由于对较为复杂的几何模型，没有准确的热传系数表达式，无法通过上述方法计算热量传递的大小。于是，本文通过流场分布和热传递的耦合计算来得到高温阀的温度场分布。考虑到流体在流量阀内的雷诺数R
e很大，流体在阀内的流动状态为湍流，故采用k-ε湍流模型来分析流体
的流场分布情况。
3、边界条件
本文在建立热传导模型和流体内的湍流模型时选取的边界条件有：
热传导模型的边界条件：
*阀入口处为恒定温度(由于实验条件的限制，实验时入口温度最多只能达到300℃，为了与实验结果进行比较，设定为530K)边界条件；
*底部边界处为轴对称边界条件；
*流体与固体接触面为温度墙函数边界条件；
*其他边界处为绝热边界条件；
湍流模型的边界条件：
*阀入口处为进口压力边界条件；
*阀出口处为法向流动/指定压力边界条件；
*流体流过固体时的接触面为对数墙函数边界条件；
其中，绝热边界条件是假设通过该边界的热通量很小可忽略不计。轴对称边界条件是根据模型的几何形状特征而选取的。
计算通过流体和固体接触面的热量时采用温度墙函数边界条件。由于没有假设接触边界处层流的温度连续条件，所以接触面两侧的温度会发生突变。
对数墙函数边界条件用于描述流—固动量转换的关系。这一边界条件是指湍流在固液边界的层流处的流体切向速度很大。这一假设可以很好地简化计算并提高计算速度。
三、结果分析
1、仿真结果
通过建立热传导模型和湍流模型并适当选取边界条件，得到了高温阀在最大开度(4mm
2)情况下的阀内温度场以及流体的流场分布情况。
流场速度分布如图2所示。流场内的流线分布图和箭头图如图3所示。
从图2和图3中可以看出，阀内的流体的流动状态属于湍流。此时的热传递与层流状态下的热传递有明显的不同。流体和固体的部分接触面存在层流，例如阀芯两侧的阶梯处。同时虽然入口和出口处的流动速度不同，这里只考虑其速率对热传递的影响。
固体和流体内部的稳态温度场分布情况如图4所示，流体内部传递的热通量大小如图5所示。从图4中可以看出，阀体、阀套和阀芯靠近节流口处的温度高于入口附近的温度。工作时阀体安装在阀座上，所以阀的外表面固定不动，这使得阀芯和阀套在靠近入口和出口侧的配合间隙发生变化，温度高低的不同会使配合间隙的大小产生差异。
在阀工作稳定后，阀内的热量传递使最高温度和最低温度之间的温差非常小(最高温与最低温之间仅相差13℃左右)，这可能使热量传递到电磁铁。然而，电磁铁要求工作温度低于310K，所以必须在电磁铁和阀体之间安装隔热片以保证电磁铁的正常工作。
2、试验结果
为了与有限元分析结果进行相互验证，对流量阀的温度场进行试验测试，实验中分别测出了调节阀进口、出口、阀芯和外表面四点的温度值，并与仿真结果进行比较。
测试工况：启动电加热器使不锈钢管充分受热，到达300°C后，打开
电磁阀，对流量调节阀输入1MPa气体，采集温度数据，数据采集卡采样频率为1KHz。各个位置稳态温度的试验结果和仿真计算结果如表1所示。
比较试验结果和仿真计算结果可知，测试温度与仿真结果之间的差距较大，主要原因在于，选用的对流换热系数与实际的换热情况存在差距；在试验中调节阀存在一定的泄漏，热量会出现损失，而仿真计算时气体的温度基本恒定，热量的损失较小；阀芯周围的部分空间被连接热电偶的高温导线占据，造成了温度的差别；仿真计算中采用的自然对流边界条件与实际测试时外表面的接触情况存在差距。但是，由表中数据可以看出，试验结果与仿真结果在各个位置点的温度变化趋势是一致的。
总结试验结果可得出以下结论：首先，设定的边界条件和实际环境有一定的偏差；其次，加热器的性能，管道的热量损失，气源压力等对温度影响较大；第三，粘贴热电偶，对流量调节阀结构具有一定的影响，会产生泄漏，这对于测试具有影响。
四、结论
通过对超燃冲压发动机高温燃料流量
控制阀的热力学分析可以得到以下结论：
在无法利用传热系数对流体和固体的热通量进行计算的情况下，可以通过对固体内部的热传递模型和流体内部的湍流模型的耦合计算来对高温阀进行热力学分析。
由于高温对阀芯和阀套之间配合间隙的影响，为了保证
阀门的正常工作，必须采用热膨胀系数较低的金属作为制造阀门的材料。同时，可以考虑在阀芯和阀套两侧加工出不同的配合间隙以补偿因不同的热膨胀而产生的配合间隙问题。
为了完善阀门的结构设计和改进，需要进一步对阀门在工作时的热应力和热应变进行仿真。
参考资料
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