气凝胶填充金属蜂窝夹层结构隔热性能试验与模拟

2023-03-22文彦臻邓云华

中国机械工程 2023年5期

文彦臻邓云华贾震

1.沈阳航空航天大学航空宇航学院，沈阳，1101362.中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室，北京，100024

0 引言

蜂窝结构以其质量小、强度和刚度均较高等诸多优点,在航空航天领域得到了广泛应用[1-2]。由于蜂窝芯体为中空结构，它与实体结构相比热传导占比更小，具有良好的隔热性能，因此主要作为热防护结构使用。美国的SR-71超高声速侦察机在其翼面、舵面部分均使用了大量的蜂窝夹层板结构；同时在可重复使用的空天飞机(如X-33、X-37、SANGER)上已大面积应用蜂窝面板，实现了从传统防热布局方案向金属热防护系统的过渡[3]。

国内外学者针对蜂窝隔热性能开展了一系列的研究。SWANN等[4]以导热问题等效了蜂窝内传热过程，总结出了计算蜂窝当量热导率的半经验公式，该公式已被作为一个标准模型来计算蜂窝结构的热传导问题。KAUSHIKA等[5]推导出了一种基于蜂窝芯层为灰体假设的物理模型，计算了蜂窝结构的辐射换热量。COPENHAVER等[6]采用有限元法模拟了蜂窝内的辐射导热耦合换热。谢宗蕻等[7]在300℃条件下对钛合金蜂窝夹层结构的隔热性能进行试验研究，分析了各几何参数对隔热性能的影响。吴大方等[8]在200～800℃的温度区间测试镍基金属蜂窝板结构的隔热性能，得到该结构的隔热效率在12%～19%之间。陈勇等[9]提出一种有限元数值模拟方法用于计算蜂窝板传导和辐射耦合传热问题，并进行了实验验证，结果表明，在高温条件下若不考虑辐射的影响，计算误差便会显著增大。樊卓志等[10]利用ANSYS有限元方法模拟研究了金属蜂窝板的传热，发现随着温度的升高，蜂窝芯内部辐射强度迅速增大，辐射换热量越来越大。

相关研究结果表明，目前有关1200℃以上温度下金属蜂窝夹层结构的研究报道较少，无法满足在高温环境下工作的需求。在高温的情况下，辐射对金属蜂窝隔热性能的影响更加显著。随着温度的升高，辐射在热传递过程中的占比逐渐升高。为了进一步提高蜂窝结构的隔热性能，限制蜂窝空腔内部的热辐射，本文提出了一种以高温合金铌合金为材料并在其内部填充气凝胶的蜂窝结构，对该结构进行了研制，并对其隔热性能进行了相关的试验与计算，通过模拟计算总结分析得出不同条件参数对蜂窝的隔热性能影响以及蜂窝的隔热机理。

1 铌合金蜂窝制作

采用轧制成形的方法来加工瓦楞条，将成形好的瓦楞条通过点焊的方式连接即可形成蜂窝芯体[11-12]，蜂窝芯体如图1所示，图中h为瓦楞条厚度，D为蜂窝内径。

图1 蜂窝芯格排布及尺寸Fig.1 Configuration and size of honeycomb core

在1300 ℃钎焊温度、30 min保温时间下，采用Nb基钎料对铌合金蜂窝进行钎焊。本试验使用的Nb基钎料为高温合金钎料，在1000 ℃的工作温度下可保证焊缝没有缺陷，蜂窝能正常工作。将钎料放置于铌合金蜂窝与铌合金面板之间[13]，上下面板厚度均为0.8 mm，铌合金蜂窝钎焊时钎料添加示意图见图2。

图2 铌合金蜂窝钎焊示意图Fig.2 Diagram of niobium alloy honeycomb brazing

铌合金蜂窝钎焊后，采用超声无损检测的方法对蜂窝面板/芯体钎焊界面焊合质量进行检测。钎焊后铌合金蜂窝钎焊界面的焊合质量超声无损检测结果如图3所示，可以看出钎焊界面的焊合质量优良。

图3 铌合金蜂窝钎焊界面超声检测结果Fig.3 Ultrasonic testing result of niobium alloyhoneycomb brazing interface

2 试验与有限元模型建立

2.1 蜂窝板隔热性能试验

在填充及不填充气凝胶两种工况条件下，对表1所示几何尺寸的铌合金蜂窝板进行隔热性能测试，试验示意图见图4。其中，热面的升温过程为15 min升温至1000 ℃，然后保温30 min。

表1 铌合金蜂窝芯格尺寸(有无气凝胶)

图4 隔热性能试验示意图Fig.4 Diagram of thermal insulation performance test

2.2 几何模型及边界条件

建立与试验相同尺寸蜂窝板的几何模型，对于气凝胶填充蜂窝的情况，据蜂窝芯格腔内尺寸建立气凝胶实体几何模型。将上下面板、气凝胶与蜂窝芯体装配，并划分网格，网格如图5所示。

图5 铌合金蜂窝板有限元模型Fig.5 Finite element model of Niobium alloyhoneycomb sandwich panel

设置整体模型的玻尔兹曼常数5.67×10-8W/(m2·K4)，设定绝对零度-273 ℃。本次模拟的蜂窝芯格及上下面板材料均为Nb521铌合金，密度为8860 kg/m3，其热物理性能参数(热导率、质量热容)如表2和表3所示[14]。

表2 铌合金热导率

表3 铌合金比热

气凝胶采用纤维增强的SiO2复合气凝胶，它在高温下收缩率几乎没有变化，热导率稳定，耐高温性能优异。设置气凝胶密度3 kg/m3、质量热容380 kJ/(kg·K)及热导率0.02 W/(m·K)[15]。

按热流传导方向设置加热面到蜂窝结构再到散热面的接触条件。在不填充气凝胶的情况下，上面板与下面板、上面板与蜂窝壁、蜂窝壁与下面板之间均有辐射热量传递，即当上面板被加热后，与蜂窝壁及下面板形成温度差，此时辐射传热路径不仅发生在上下面板之间，热面与蜂窝腔内壁以及蜂窝腔内壁与冷面之间都会发生辐射传热过程[16]。空腔内各表面单位面积的辐射通量的方程为

为了分析不同几何参数对蜂窝板隔热性能的影响，设置表4所示的工况进行传热工程的有限元模拟。

表4 铌合金蜂窝芯格尺寸(多参数对比)

3 结果与分析

3.1 模拟结果及试验验证

由模拟所得工况A-0.1-12.8-15-a冷面中心的最高温度为582 ℃，工况A-b-0.1-12.8-15-b冷面中心的最高温度为442 ℃。两工况下试验测得冷面、热面中心部位温度随时间的变化曲线见图6。模拟数据与实际试验所出具的测试报告相比，误差在5%以内，模拟与试验的温度曲线对比如图7所示。

(a)工况A-0.1-12.8-15-a

模拟与试验的对比验证了铌合金蜂窝板填充与不填充气凝胶隔热过程有限元模型的准确性。同时还说明铌合金蜂窝填充气凝胶后阻断了蜂窝腔内及上下面板间的辐射传热，而气凝胶的热导率很低、质量热容又较大，可以大幅提高铌合金蜂窝板在1000 ℃高温条件下的隔热能力。

3.2 蜂窝芯格壁厚对隔热性能的影响

为了分析芯格壁厚对隔热性能的影响，选取A、B、C、D组工况进行对比分析。芯格内径为12.8 mm时，不同工况下冷面中心温度随时间的变化曲线见图8。芯格内径为11.2 mm时，不同工况下冷面中心温度随时间的变化曲线见图9。

图8 芯格内径12.8 mm时不同芯格壁厚下的冷面温度曲线Fig.8 Temperature graph of cold surface under differentcore thicknesses with 12.8 mm core inner diameter

图9 芯格内径11.2 mm时不同芯格壁厚下的冷面温度曲线Fig.9 Temperature graph of cold surface under differentcore thicknesses with 11.2mm core inner diameter

从图8、图9中可以再次印证，铌合金蜂窝填充气凝胶后蜂窝板整体隔热性能大幅提高。在填充气凝胶后，对于相同蜂窝芯格内径的铌合金蜂窝，单层壁厚越薄隔热性能越好。原因是气凝胶将蜂窝内的辐射传热隔绝掉后，蜂窝芯格壁金属的热传导是热量从热面传递到冷面的最主要渠道，芯格壁厚越薄可供传热的铌合金金属越少，传递的热量也越少，所以冷面温度也就越低。

在同为不填充气凝胶且蜂窝芯格内径相同的条件下，单层0.1 mm壁厚和单层0.08 mm壁厚的铌合金蜂窝的隔热效果相差不大，在芯格内径12.8 mm条件下，厚壁铌合金蜂窝的冷面中心温度仅比薄壁蜂窝的冷面中心温度低几度。原因为，随着热面温度不断上升，蜂窝芯格腔内的辐射传热效果越来越强，在大芯格内径的蜂窝内腔中尤甚，从而使0.1 mm与0.08 mm芯格壁厚差带来的传热差收窄。

3.3 蜂窝芯体高度对隔热性能的影响

将铌合金蜂窝芯体高度增大到30 mm，芯格单层壁厚保持0.1 mm，芯格内径仍为12.8 mm与11.2 mm两种，选取A、E、C、F组工况进行对比分析。芯格内径为12.8 mm时，不同工况下冷面中心温度随时间的变化曲线见图10。芯格内径为11.2 mm时，不同工况下冷面中心温度随时间的变化曲线见图11。

图10 芯格内径12.8 mm时不同芯体高度下的冷面温度曲线Fig.10 Temperature graph of cold surface under differentcore heights with 12.8 mm core inner diameter

图11 芯格内径11.2 mm时不同芯体高度下的冷面温度曲线Fig.11 Temperature graph of cold surface under differentcore heights with 11.2 mm core inner diameter

从图10、图11中可以发现，对于铌合金蜂窝，无论是否填充气凝胶，在芯体高度增大后，由于冷热面板之间的距离增大，金属热传导的距离也增大，蜂窝芯格腔内的辐射传热与芯格壁金属的热传导能力都下降，故蜂窝芯体高度增大后，铌合金蜂窝板的隔热性能将增强，因此，芯体高度15 mm的蜂窝填充气凝胶后的隔热性能明显低于将芯体高度增大到30 mm时蜂窝板的隔热性能。由于芯体高度的增大还会使蜂窝内腔的辐射效果减弱，因此在未填充气凝胶的工况对比中，15 mm芯体高度与30 mm芯体高度的蜂窝板的隔热性能差也未出现明显收窄。

3.4 蜂窝芯格内径对隔热性能的影响

选取A、C、E、F、B、D组工况进行对比分析，在芯格壁厚以及芯体高度一致的情况下分析蜂窝芯格内径对隔热性能的影响，其不同工况下的冷面温度曲线见图12。

从图12中可以得出如下结论：在填充气凝胶的情况下，对于相同芯格壁厚与芯体高度的铌合金蜂窝，芯格内径12.8 mm工况下的冷面温度稍低于芯格内径11.2 mm工况下的冷面温度。原因是芯格内径越小，蜂窝板单位面积内的芯格金属量越多，在填充气凝胶的情况下，蜂窝腔内辐射传热被气凝胶隔绝，热传导是热量从热面传递到冷面的最主要渠道，因此小芯格内径的蜂窝拥有可供传热的铌合金金属越多，传递的热量也就越多。当芯格壁厚相同时，芯体高度为30 mm的两种芯格内径之间的冷面温度差小于芯体高度为15 mm的两种芯格内径之间的冷面温度差。这是由于具有更高芯体高度的蜂窝板可减小由芯格内径变化对整体传热的影响，因此冷面温度差距会更小。

(a)壁厚0.1 mm、高度15 mm

在不填充气凝胶的情况下，蜂窝芯格内腔的辐射传热开始起到重要作用。在相同芯格壁厚与芯体高度时，芯格内径12.8 mm工况下的冷面温度均比芯格内径11.2 mm工况下的冷面温度高。在芯体高度15 mm与单层芯格壁厚0.1 mm条件下，较大的芯格内径会带来较大的腔内辐射，虽然芯格内径较大的蜂窝板热传导量较小，但较大的辐射传热抵消了较小芯格内径造成的热传导弱化。当芯格壁厚减小到0.08 mm后，热传导的影响因素进一步被弱化，较大内径芯格引起的辐射传热量甚至超过其在热传导上的减弱。故在不填充气凝胶的情况下，芯格内径越大蜂窝隔热性能反而会降低。

4 隔热机理分析

综合前述研究，对铌合金蜂窝空腔与填充气凝胶隔热机理进行分析，其原理图见图13。

图13 铌合金蜂窝隔热机理原理图Fig.13 Diagram for mechanism of heat transfer inniobium alloy honeycomb sandwich panel

铌合金蜂窝芯格内不填充气凝胶时，由于温度差的存在，除金属的热传导外，金属表面还会有从热面到冷面的辐射传热。蜂窝内部存在如下辐射路径的腔内辐射传热过程：从热面板到冷面板；从热面到蜂窝芯格壁，再从芯格壁到冷面。并且蜂窝芯格金属上由于热传导的存在会使靠近热面的芯格壁快速升温，扩大其与冷面的温度差，温度差越大辐射传热过程越剧烈，因此在空腔蜂窝中，辐射传热是绝对不能忽略的。

当铌合金蜂窝芯格填充了气凝胶后，金属表面之间的空间被挤占，上下面板以及蜂窝芯格壁直接与气凝胶接触，金属表面间的辐射传热被阻隔，仅剩下从热面通过蜂窝芯格壁热传导到冷面、先从热面热传导到气凝胶而后传导到冷面的传热途径和气凝胶内部的辐射传热。气凝胶的热导率仅为0.02 W/(m·K)，其内部的辐射传热也很少，通过气凝胶传递的热量远小于金属表面辐射传递的热量，因此将气凝胶填充到芯格腔内后可以大幅增强铌合金蜂窝板的隔热能力。

在此基础上进一步分析铌合金蜂窝芯格壁厚、芯体高度与芯格内径对隔热性能的影响机理。

(1)蜂窝芯格壁厚越薄隔热性能越好。蜂窝芯格壁金属的热传导是热量从热面传递到冷面的主要渠道，芯格壁厚越薄可供传热的铌合金金属就越少，传递的热量也越少，因此单层壁厚越薄隔热性能越好。

(2)蜂窝芯体高度越大隔热性能越好。在芯体高度增大后，冷热面板之间的距离会增大，金属热传导的距离也增大，蜂窝芯格腔内的辐射传热与芯格壁金属的热传导能力都下降。

以上两参数对隔热性能的影响趋势都在芯体内填充气凝胶后得到加强，不填充气凝胶时，由于腔内辐射存在交互影响，芯格壁厚对隔热性能的影响幅度收窄。

芯格内径对隔热性能的影响分为两种情况(在0.1 mm、0.08 mm芯格壁厚以及11.2 mm、12.8 mm芯格内径条件下)：①填充气凝胶后，芯格内径越大隔热性能越好，原因是芯格内径越大，单位面积蜂窝板上可供热传导的金属越少；②蜂窝芯空腔时，芯格内径越大隔热性能越差，原因是芯格内径越大腔内辐射传热越强，尤其在1000 ℃高温下，辐射传热的作用体现得更为明显。