變密度炭化復(fù)合材料的熱防護(hù)模型及其數(shù)值模擬.pdf

1、航天器返回艙穿越地球大氣層飛行時(shí)受到嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，為了克服由于氣動(dòng)加熱造成的“熱障”，對(duì)返回艙進(jìn)行熱防護(hù)是必不可少的。根據(jù)返回艙再入大氣層時(shí)的環(huán)境特點(diǎn)，即高比焓、低熱流密度、低壓、低剪力和較長(zhǎng)的再入時(shí)間，通常選用炭化復(fù)合材料作為熱防護(hù)材料。針對(duì)急劇變化的航天器服役環(huán)境，均勻密度炭化復(fù)合材料的熱防護(hù)效率比較低，因此，變密度炭化復(fù)合材料的設(shè)計(jì)是熱防護(hù)系統(tǒng)發(fā)展方向。本文基于傳熱學(xué)、物理化學(xué)、氣動(dòng)熱力學(xué)、燃燒學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)、數(shù)值分析等理論，開(kāi)

2、展變密度炭化復(fù)合材料的熱防護(hù)模型及其數(shù)值模擬研究。
　　基于炭化復(fù)合材料燒蝕機(jī)理，假設(shè)熱解反應(yīng)均發(fā)生在熱解面上，發(fā)展了變密度炭化復(fù)合材料的一維熱解面模型。根據(jù)傳熱學(xué)理論，對(duì)原始材料層與炭化層分別建立一維瞬態(tài)傅里葉熱傳導(dǎo)方程，方程中熱物理性能參數(shù)是密度或密度與溫度的函數(shù);在移動(dòng)的熱解面處建立溫度連續(xù)條件與熱解能量守恒條件;在燒蝕表面處建立能量守恒關(guān)系，它與表面燒蝕率相關(guān)，而碳的氧化燒蝕率是壁面溫度的函數(shù)?；跀?shù)值傳熱學(xué)方法，利用二階

3、中心差分格式和一階向前差分格式分別對(duì)靜態(tài)坐標(biāo)系下變密度炭化復(fù)合材料導(dǎo)熱偏微分方程中的空間項(xiàng)和時(shí)間項(xiàng)進(jìn)行離散，獲得隱式的離散格式。針對(duì)帶有移動(dòng)邊界與移動(dòng)界面的離散格式，提出一種新的非線性計(jì)算方法:利用上一時(shí)刻的結(jié)果確定材料總厚度、原始材料層厚度與炭化層厚度，更新空間節(jié)點(diǎn)及熱解面節(jié)點(diǎn)，利用三對(duì)角陣算法和牛頓迭代法對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的隱式離散格式進(jìn)行求解;利用當(dāng)前時(shí)刻的溫度，由燒蝕表面溫度及燒蝕率的函數(shù)求得燒蝕表面移動(dòng)距離，由不動(dòng)點(diǎn)迭代法求得滿足熱解

4、面能量守恒條件的熱解面移動(dòng)距離。將上述計(jì)算方法通過(guò)MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步分析了在常熱流作用下均勻材料的熱響應(yīng)以及在變熱流作用下均勻與變密度材料的熱響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明:變密度炭化復(fù)合材料熱解面模型可以應(yīng)用于求解均勻密度炭化復(fù)合材料的燒蝕及熱響應(yīng);變密度炭化復(fù)合材料具有更高的有效熱熔，能夠提高熱防護(hù)系統(tǒng)的防熱效率。
　　為了更能精確地反映炭化復(fù)合材料的熱響應(yīng)，建立變密度炭化復(fù)合材料的一維熱解層模型，其特點(diǎn):在炭化層與原始材料層之

5、間的熱解層中既有熱解反應(yīng)又有熱解氣體流動(dòng)，熱解反應(yīng)導(dǎo)致熱解層的密度不斷變化，熱解層的熱物理性能是密度與溫度的函數(shù)。在該模型中，除了原始材料層和炭化層的控制方程、燒蝕表面邊界條件分別與熱解面模型的相同之外，增加熱解層的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程，兩個(gè)內(nèi)部移動(dòng)界面的溫度與熱流連續(xù)條件。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，熱解層的密度與熱物理性能參數(shù)做線性處理。利用熱解面模型的離散方法，對(duì)熱解層數(shù)學(xué)模型構(gòu)造其隱式的離散格式。針對(duì)帶有移動(dòng)邊界和雙移動(dòng)界面的非線性離散方程組，發(fā)展

6、新的求解方法:利用上一時(shí)刻的結(jié)果確定材料總厚度、原始材料層厚度、熱解層厚度與炭化層厚度，劃分空間節(jié)點(diǎn)，更新移動(dòng)界面節(jié)點(diǎn)，采用三對(duì)角陣算法和牛頓迭代法對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的隱式離散格式進(jìn)行求解;由燒蝕表面溫度及燒蝕率的函數(shù)確定燒蝕表面移動(dòng)距離，由牛頓弦截法確定滿足熱流連續(xù)條件的內(nèi)部雙界面移動(dòng)距離?；贛ATLAB平臺(tái)，利用上述求解方法對(duì)隱式的離散格式進(jìn)行編程，計(jì)算分析了均勻材料在常熱流作用下的熱響應(yīng)、均勻材料和變密度材料在變熱流作用下的熱響應(yīng)，以及

7、對(duì)比分析了均勻材料在常熱流作用下熱解面模型與熱解層模型的計(jì)算結(jié)果。數(shù)值結(jié)果表明:通過(guò)對(duì)均勻材料熱解層模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與前人的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所建立的熱解層模型可以應(yīng)用于求解均勻材料的熱響應(yīng);在服役過(guò)程中，變密度熱防護(hù)層燒蝕表面上的有關(guān)參數(shù)（溫度、燒蝕率、熱解氣體質(zhì)量流率）及各層厚度不僅與氣動(dòng)熱流有關(guān)，還與材料密度分布息息相關(guān);變密度材料具有較高的有效熱熔，能夠提高熱防護(hù)系統(tǒng)的防熱效率;經(jīng)過(guò)兩個(gè)模型的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱解面溫度的選取對(duì)熱解

8、面模型的計(jì)算精度至關(guān)重要。
　　上述兩個(gè)模型中均假設(shè)表面燒蝕率為溫度的函數(shù)，未考慮熱解氣體在激波層內(nèi)的燃燒反應(yīng)對(duì)材料表面燒蝕的影響。為了精確分析材料表面的燒蝕率，基于熱解氣體燃燒的層流流動(dòng)假設(shè)，利用氣動(dòng)熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、物理化學(xué)等理論，建立炭化復(fù)合材料的熱-流-化學(xué)-燒蝕多場(chǎng)耦合模型，該模型包含:正激波方程組、熱解層數(shù)學(xué)模型、熱解氣體的對(duì)沖擴(kuò)散燃燒模型以及材料表面氧化燒蝕模型，并提出了“開(kāi)始反應(yīng)面”與“臨界速度”概念。利用擬

9、牛頓法通過(guò)編寫(xiě)FORTRAN代碼求解非線性正激波方程組獲得正激波后氣體溫度和流速;利用熱解層模型的計(jì)算方法，求得燒蝕表面上的溫度和熱解氣體流速;將求得的結(jié)果作為對(duì)沖擴(kuò)散燃燒模型的邊界條件，利用OPPDIF程序求解熱解氣體的對(duì)沖擴(kuò)散燃燒模型，獲得燒蝕表面附近的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù);把氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和燒蝕表面溫度等參數(shù)代入材料表面氧化燒蝕模型，利用MATLAB平臺(tái)編程計(jì)算獲得表面燒蝕率;再把求得的燒蝕率代入熱解層模型中，重復(fù)上述計(jì)算步驟，直至表面燒蝕