摘要
高空测试室的前端宽温度范围气体混合流动系统是模拟 wide 温度范围内进气条件的关键组成部分，混合气体的温度均匀性以及下游接口的位置稳定性直接影响测试边界条件的准确性。为了解决由于温差大、管道长距离以及高压运行条件共同作用而产生的非均匀温度场、主管道的热变形和局部热应力集中问题，本研究基于 ANSYS Fluent 2021 R1、CAESAR II 和 ANSYS Mechanical 建立了一个多物理场耦合分析框架，系统地研究了混合段中的温度分布、热边界传递、管道系统的整体热响应、局部精细化模型以及膨胀节的补偿效应。流体-热分析结果显示，在不同的工作条件下，管道右侧部分的混合气体温度分布有所变化，其中分支的质量流量分配、总流量、入口总压力和入口总温度会同时变化。为了进行定量比较，引入了一个温度非均匀系数 γ（截面温度的标准差除以平均温度）。对于每种温度组合，案例 1 到 3 代表以 40 °C 分支为主的工作条件，而案例 4 和 5 分别代表 40 °C/?70 °C 组中以 ?70 °C 分支为主和 40 °C/550 °C 组中以 550 °C 分支为主的条件。在选定的 40 °C/?70 °C 条件下，下游监测段的 γ 值从案例 1 的 8.72% 降低到案例 3 的 3.86%，表明温度分布逐渐变得更加均匀；而 γ 在案例 4 中为 6.31%，到案例 5 中增加到 9.87%，表明热分层现象更加明显。在选定的 40 °C/550 °C 条件下，γ 在案例 2 中达到最小值 2.87%，并且案例 4（γ = 9.54%）与案例 5（γ = 5.78%）的比较表明，主导分支中的流量差增加与温度均匀性的改善相关。热结构耦合分析进一步表明，主管道是控制整个系统热变形的关键部件，在高温条件下轴向热膨胀占主导地位，局部高应力主要集中在固定支撑处以及几何约束突然变化的相邻区域。进一步分析表明，使用等效刚度建模的膨胀节可以在四种典型工作条件下将主管道关键位置的 Z 方向位移分别减少 10.94、16.46、9.58 和 10.50 毫米，同时使得临界区域从主管道支撑区域转移到补偿组件附近。这些结果可以为控制接口热位移、设计主管道结构以及在前端气体混合系统中布置膨胀节提供参考。
