變密度炭化復合材料的熱防護模型及其數(shù)值模擬.pdf

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

2、展變密度炭化復合材料的熱防護模型及其數(shù)值模擬研究。
　　基于炭化復合材料燒蝕機理，假設(shè)熱解反應(yīng)均發(fā)生在熱解面上，發(fā)展了變密度炭化復合材料的一維熱解面模型。根據(jù)傳熱學理論，對原始材料層與炭化層分別建立一維瞬態(tài)傅里葉熱傳導方程，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靜態(tài)坐標系下變密度炭化復合材料導熱偏微分方程中的空間項和時間項進行離散，獲得隱式的離散格式。針對帶有移動邊界與移動界面的離散格式，提出一種新的非線性計算方法:利用上一時刻的結(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)點及熱解面節(jié)點，利用三對角陣算法和牛頓迭代法對當前時刻的隱式離散格式進行求解;利用當前時刻的溫度，由燒蝕表面溫度及燒蝕率的函數(shù)求得燒蝕表面移動距離，由不動點迭代法求得滿足熱解

4、面能量守恒條件的熱解面移動距離。將上述計算方法通過MATLAB編程實現(xiàn)，進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:變密度炭化復合材料熱解面模型可以應(yīng)用于求解均勻密度炭化復合材料的燒蝕及熱響應(yīng);變密度炭化復合材料具有更高的有效熱熔，能夠提高熱防護系統(tǒng)的防熱效率。
　　為了更能精確地反映炭化復合材料的熱響應(yīng)，建立變密度炭化復合材料的一維熱解層模型，其特點: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，熱解反應(yīng)導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)熱傳導方程，兩個內(nèi)部移動界面的溫度與熱流連續(xù)條件。為了簡化計算，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，對熱解層數(shù)學模型構(gòu)造其隱式的離散格式。針對帶有移動邊界和雙移動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，更新移動界面節(jié)點，采用三對角陣算法和牛頓迭代法對當前時刻的隱式離散格式進行求解;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)部雙界面移動距離。基于MATLAB平臺，利用上述求解方法對隱式的離散格式進行編程，計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算結(jié)果。數(shù)值結(jié)果表明:通過對均勻材料熱解層模型的數(shù)值計算結(jié)果與前人的試驗結(jié)果對比，驗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);在服役過程中，變密度熱防護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，能夠提高熱防護系統(tǒng)的防熱效率;經(jīng)過兩個模型的對比，發(fā)現(xiàn)熱解面溫度的選取對熱解

8、面模型的計算精度至關(guān)重要。
　　上述兩個模型中均假設(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假設(shè)，利用氣動熱力學、傳熱學、燃燒學、物理化學等理論，建立炭化復合材料的熱-流-化學-燒蝕多場耦合模型，該模型包含:正激波方程組、熱解層數(shù)學模型、熱解氣體的對沖擴散燃燒模型以及材料表面氧化燒蝕模型，并提出了“開始反應(yīng)面”與“臨界速度”概念。利用擬

9、牛頓法通過編寫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)果作為對沖擴散燃燒模型的邊界條件，利用OPPDIF程序求解熱解氣體的對沖擴散燃燒模型，獲得燒蝕表面附近的氧氣質(zhì)量分數(shù);把氧氣質(zhì)量分數(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平臺編程計算獲得表面燒蝕率;再把求得的燒蝕率代入熱解層模型中，重復上述計算步驟，直至表面燒蝕