富氧環(huán)境下C-SiC復合材料的非穩(wěn)態(tài)燒蝕研究.pdf

1、富氧環(huán)境下的燒蝕問題是超燃沖壓發(fā)動機技術中一個關鍵的研究課題，耐燒蝕性能是衡量和評價熱防護材料的重要指標，是設計發(fā)動機的關鍵參數(shù)，直接影響到發(fā)動機結構部件的使用效能和工作壽命。C/SiC復合材料作為一種新型戰(zhàn)略性材料，具有耐高溫、低密度、抗燒蝕、高比模、抗氧化、高比強、脆性小和可靠性高等優(yōu)異性能，是沖壓發(fā)動機理想的熱結構和熱防護材料，但工程上仍缺乏較完善的燒蝕模型和計算方法。本文以超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的富氧工作條件為背景，開展了燒蝕研究

2、。
　　研究表明，燃氣對材料的燒蝕可分為熱化學燒蝕和機械剝蝕兩部分，前者指材料表面在高溫高壓氣流環(huán)境下發(fā)生的氧化和分解反應，后者指材料表面纖維在高速氣流的壓力和剪切力作用下造成的斷裂，顆粒狀剝落，或因熱應力破壞造成的機械失效。在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中，燒蝕材料處在高溫、高壓、高熱流密度、高氧化氣體濃度及高馬赫數(shù)的環(huán)境中。在這樣的惡劣環(huán)境下，不僅要考慮熱化學燒蝕，同時，也應考慮氣流對材料的沖刷和機械剝蝕。
　　本文以C/SiC

3、材料的非穩(wěn)態(tài)燒蝕為研究對象，針對不同溫度下材料的氧化機制的差異性分別建立了不同的氧化模型。綜合考慮了溫度、壓力、氧化性組分O2和H2O濃度的影響，建立了非穩(wěn)態(tài)條件下C/SiC材料的熱化學燒蝕模型。同時，通過吸收前人的相關經(jīng)驗和成果，建立了半經(jīng)驗性質的機械剝蝕模型，模型中充分考慮了沖蝕速度、溫度和剪切應力等因素對機械剝蝕的影響。這樣，建立了包含熱化學燒蝕和機械剝蝕的廣義燒蝕模型。將燒蝕模型編制成UDF程序與FLUENT求解器嵌合，實現(xiàn)了流

4、場與燒蝕程序的瞬態(tài)耦合，使得非穩(wěn)態(tài)燒蝕計算能夠實現(xiàn)。
　　依托等離子體風洞加熱(濕)空氣條件下C/SiC平板燒蝕實驗，對實驗試片進行了流場數(shù)值模擬和燒蝕計算。從試片燒蝕厚度趨勢來看，計算結果與實驗在一定程度上吻合，嚴重燒蝕區(qū)都發(fā)生在試片偏上游位置，但由于受材料變形和流場未穩(wěn)定因素的影響，試驗試片結果存在一些誤差。試片1燒蝕考核60s，最大實際燒蝕厚度7.28mm，而計算結果所得最大燒蝕厚度為7.11mm，絕對誤差-0.17mm，相

5、對誤差-2.3％；試片2燒蝕50s累計最大燒蝕量2.01mm，計算值高于試驗值0.31mm，相對誤差15.4%。綜上所述，誤差保持在較小范圍，證明本文燒蝕模型和計算方法是有效、可行的，在一定程度上能夠預測C/SiC復合材料的燒蝕規(guī)律，為C/SiC復合材料在超燃沖壓發(fā)動機中的燒蝕計算及熱防護設計奠定了基礎。
　　對影響燒蝕的相關因素進行分析表明，材料的燒蝕總體上隨溫度、壓力、氧化性組分濃度的提高或其他氧化性組分的加入而加劇。無論是熱

6、化學燒蝕率還是機械剝蝕率都與燒蝕表面溫度有極大的關系，材料表面的燒蝕呈現(xiàn)隨溫度提高而加劇的變化趨勢；計算表明，熱化學燒蝕和機械剝蝕的主燒蝕區(qū)皆在試片上游位置，與高溫區(qū)處在同一位置，這說明溫度對燒蝕的影響是巨大的。而且熱化學燒蝕率與機械剝蝕率大小處在同一數(shù)量級上，在本文工況下，熱化學燒蝕起主導作用。
　　最后，本文預測了發(fā)動機噴管的燒蝕狀況，計算結果預測：噴管主燒蝕區(qū)集中在噴管喉部，其中熱化學燒蝕在收斂段較明顯，而機械剝蝕在喉部尤為