喷嘴热变形计算

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1 前言                                                              

引射器里面有一个重要部件就是喷嘴，通常喷嘴的喉部尺寸很小，如果一次流体和二次流体的温度不是常温，那么是不是需要考虑一下喷嘴的热变形，会不会出现热胀冷缩后喷嘴的喉部被堵塞了？今天我们做一个简单的热固耦合计算，实际上更准确的应该做流固耦合计算，以准确的温度场作为力学边界条件。

2 问题描述                                                          

鉴于喷嘴的对称性，建立四分之一模型，重要尺寸及边界条件为：喷嘴喉部直径为0.45mm，一次流体温度0℃，二次流体800℃，喷嘴材料为不锈钢，热膨胀系数1.7e-5/℃，导热系数15.1W/m℃，模型对称面和前后端面设置为绝热；静力学边界方面，对称面为无摩擦约束，后端为轴向约束，其余为自由面，金属的塑性模型采用双线等向强化模型（鉴于一二次流体温度差异很大，结构可能会出现塑性变形），屈服强度350MPa，弹性模量193GPa，泊松比0.31，切变模量74.23GPa。各边界条件以及网格划分结果间下图。

图1 喷嘴对称模型

图2 热边界条件

图3 静力学边界条件

图4 网格划分结果

3 计算结果                                                          

喷嘴的温度结果如下图，可以看出径向方向上存在相当大的温度梯度。

图5 温度计算结果

喷嘴的等效塑性应变如下图，可以看出多数位置以及发生了塑性变形，说明这种巨大的温度梯度可能足以使得结构发生塑性形变。

图6 等效塑性应变分布

我们自定义喷嘴在径向方向的变形（比例1:1），可以看出并未发生喷嘴喉部因变形被堵塞的情况。

PS：严格意义上说，需要做网格无关性验证，这里暂略。