碳／碳材料烧蚀对电离边界层的影响

本文给出了碳/碳复合材料热化学烧蚀对层流和湍流电离边界层影响的计算方法。边界层中考虑了20个气体组元,并假设所有化学反应平衡。应用了边界层方程的新解法和简化的输运性质处理。算例表明,烧蚀对边界层的电离特性有很大影响,烧蚀产物中,碱金属的电离并不总占优势。     

烧蚀反应动力学参数的确定

本文提出了一种理论模型与实验相结合确定碳基材料烧蚀反应动力学参数(活化能和指前因子)的方法。首先建立了碳基材料热化学烧蚀的湍流边界层模型,运用数值方法对边界层守恒方程组、表面烧蚀和固相热传导进行耦合求解,计算过程中不需要事先假设烧蚀的控制类型。其次,在电弧加热器中模拟火箭发动机喷喉的烧蚀环境进行烧蚀材料与氧化性气体反应的烧蚀实验。最后,运用所建立的模型和在电弧加热器上的实验结果进行预测比较,确定烧蚀反应的动力学参数。作为实例,确定了石墨与CO_2的烧蚀反应的动力学参数。     

玻璃纤维增强塑料烧蚀理论

本文在总结玻璃纤维增强酚醛塑料烧蚀机理的基础上,提出了一个理论模型,并给出烧蚀参数的计算方法。理论模型的主要特点是:认为玻璃纤维熔化后形成了内含热解炭粒的连续液体层和碳与二氧化硅在液层中发生了平衡的化学反应。在分析中考虑碳硅反应和侧向流动消耗热解炭的竞争;碳化硅在烧蚀表面与过量二氧化硅间的进一步反应;玻璃表面蒸发;热解气体在气体边界层中的燃烧;及气泡对液层物理特性的影响。对低粘性玻璃纤维增强塑料烧蚀,还给出了简化计算方法。理论计算与实验结果的比较表明,两者符合得很好。     

烧蚀边界层温度分布的测量

采用发射光谱法对电弧射流中再入模拟烧蚀边界层的参数分布进行测量,主要问题是如何获得对气体状态模型的确切了解和实现同时具有高空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的辐射测量技术。本文提供了鉴定LTE条件是否存在的可靠方法,介绍了准确测量烧蚀边界层光谱辐射剖面的技术措施。测得驻点烧蚀边界层的温度分布与相应的理论计算结果符合较好。     

半潜入喷管收敛段碳/酚醛材料烧蚀特性

采用流固热耦合数值方法,以及Abaqus的ALE（arbitrary Lagrangian-Eulerian,任意拉格朗日欧拉方法）自适应网格技术,对位于半潜入喷管收敛段的碳/酚醛的烧蚀现象进行了预估,与试验结果进行了对比分析。结果表明:在收敛段,Al/Al₂O₃液滴或颗粒对材料的传热烧蚀起到了关键作用,当气流与材料表面平行时,液滴或颗粒的影响很小;从碳/酚醛热分解角度出发,基于完全碳化即被剥蚀的假设,基本能够预估碳/酚醛材料的烧蚀特征,烧蚀速率大约为0.3 mm/s;后效碳化对材料碳化过程的影响明显,发动机工作期间,分解层的厚度大约为2.0 mm,考虑后效作用,分解层厚度可能会增加至4.0 mm左右;与喉衬接触的材料区域,喉衬的传热会明显加剧材料的碳化过程。      

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。     

硅基防热材料表面流动特性研究

硅基复合防热材料在气动热试验时,表面有大量的熔融物质在气流作用下形成流动的液态层,其表面流动特性直接影响防热材料表面温度、质量损失和线烧蚀量,也间接决定了防热材料的烧蚀性能和隔热性能。本文通过烧蚀机理分析和光学非接触式测量的方法,研究某类硅基材料的流动特性。烧蚀机理分析将熔融物质视为液态边界层,研究其与固体防热材料表面之间的运动特性,同时考虑质量引射效应和液态层蒸发现象,得出液态层流动速度与气流剪切力、液态层厚度和液态层动力黏度的相关公式。光学非接触式测量方法以3D摄影测量为基础,结合PIV增量相关匹配算法和光流法,研究熔融液滴在固体防热材料表面整体的和单一的运动特性。在某一特定的流场状态下,对于表面液态层流动速度,烧蚀机理计算结果为26mm/s,而光学非接触测量结果为10mm/s。两种方法的误差来源主要是理论假设、材料参数和测量区域等方面的不同。研究结果表明,液滴之间具有很强的相互作用且流动速度差距较大,烧蚀机理分析可以做为工程计算方法预估试验结果,而光学非接触测量可以做为烧蚀机理分析的验证手段,并给出防热材料在试验过程中的烧蚀特性。     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

烧蚀外形方程差分计算方法研究(Ⅱ:耦合计算)

研究了气动力、热、烧蚀非耦合和耦合计算情况下的烧蚀外形,发现它们之间有很大差别。非耦合计算得到烧蚀外形为凹陷外形,而耦合计算得到的是双锥外形,后者与飞行测量结果完全一致。将CFD中的NND格式引入烧蚀外形计算,替换传统的人工粘性项方法,有效消除了较大折转处的非物理波动,得到了满意的烧蚀外形计算结果。     

碳/酚醛材料的粒子侵蚀

引用均质材料的冲蚀疲劳理论，研究了碳／酚醛材料应用在固体火箭发动机喉衬情况下的侵蚀特性；分别对无碳化层和有碳化层两种状态进行了分析和计算。综合热化学烧蚀计算与实验对比，得到粒子冲蚀的定性定量结果。     

碳/碳化锆复合材料烧蚀机理和计算方法研究

研究了碳/碳化锆复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。基体ZrC氧化后在表面形成一种膨松状的多孔固态抗氧化膜,氧化膜能有效阻止材料进一步氧化,使烧蚀量大大降低。研究了烧蚀过程抗氧化膜的形成、演化和流失行为,研究了氧化膜中氧气的扩散机制(包括分子扩散和Knudsen扩散),研究了材料原始层表面可能存在的化学反应,建立了分析碳/碳化锆复合材料烧蚀响应的物理数学模型。     

载人飞船返回舱的烧蚀防热

载人飞船返回舱的烧蚀热防护技术研究和试验表明，碳化烧蚀材料是再人飞行器最有效的热防护层。对典型的碳化烧蚀体的热性能的预测分析攻计算方法作了阐述。数值计算结果分别与电弧风洞试验和阿波罗的飞行验证试验作了比较，结果符合得很好。     

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

Newton型迭代法在求解烧蚀边界条件控制方程中的应用

对于采用烧蚀手段进行防热的高超声速飞行器而言,利用有限速率烧蚀条件下的防热层热响应与流场耦合计算,则可以更加准确地预测包括气体烧蚀产物在内的化学非平衡流场特性。基于稳态能量平衡假设(SSEB),本文对有限速率烧蚀边界数值处理方法进行了初步探索。采用Newton迭代法对表面质量和能量平衡方程进行迭代时,为了避免Jacobi矩阵求逆困难,发展了一种基于对角化Jacobi矩阵的Newton型迭代法。以碳基石墨防热材料有限速率烧蚀边界为例,通过与相关文献的壁面温度、热流以及流场不同组分质量分数等计算结果的比较,表明了这种Newton型迭代法在数值求解有限速率烧蚀边界方面的有效性。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

烧蚀花纹的分形结构及菱形花纹传热特性

在外流Ｍ＝５湍流边界层状态下，模型为１７０×３００ｍｍ￣２蜂蜡平板上进行了烧蚀花纹图案生成的实验研究，通过实验证明了人工安置干扰源并不影响烧蚀材料表面花纹的有序结构，对大面积烧蚀花纹的分析表明，局部花纹结构具有随机性质，因此烧蚀花纹具有分形结构的特性，用分形方法可以大致模拟花纹生成图案。菱形沟槽热流测量结果表明，在材料有烧蚀响应的情况下，大面积菱形花纹具有稳定性质，不产生局部烧蚀崩溃现象。     

硅基内衬喷管扩张段烧蚀和温度场的耦合计算方法

本文叙述固体火箭喷管扩张段硅基内衬烧蚀和温度场的耦合计算方法.烧蚀采用非定常的液体层烧蚀模型;温度场计算采用圆柱坐标系下的一维径向瞬态导热模型,考虑材料在高温下形成的炭化层和热解层,而由烧蚀产生的边界移动问题用坐标变换的方法处理.利用烧蚀和导热计算方程组中二者的结合部,通过充分耦合,获得了更准确的预示计算结果.     

轻质烧蚀防热材料结构组成对烧蚀形貌的影响

采用石英灯烧蚀试验对研制的一种轻质烧蚀防热材料在不同防热结构下的烧蚀形貌和隔热性能进行了研究。结果表明:不同的防热结构形式,轻质烧蚀防热材料的烧蚀形貌不同,防热结构的纵向温度梯度和面内温度梯度均影响轻质防热材料的烧蚀形貌,温度梯度越小,热量在材料表面积聚越严重,因此表面碳化特征越明显。在不同材料的面内组合状态下,轻质烧蚀防热材料可实现与较高密度材料的匹配烧蚀,说明其烧蚀防热效率较高。在防热结构设计时,可综合考虑其面密度和烧蚀形貌,合理利用防热结构组成,实现高效防隔热和轻量化设计。     

喷管碳基喉衬的烧蚀

一、计算方法和结果 喷管材料的烧蚀主要是热和化学作用的结果。热量来自碳与燃气中的氧化元素之间的异相化学反应,以及对流和幅射传热。本文中的解析模型用来预测喷管温度分布及烧蚀率。在处理联结核心流及喷管壁面的边界层流动时,把传热传质数值作为壁内导热计算的输入数据。边界层的边界条件是由一维无粘定常流的解来确定的。在材料响应的分析中介入了幅射边界条件,在UTC数据上引入了一个有效辐射系数。用有限元计算方法求解瞬态热传导方程来确定喷管壁内温度分布随时间的变化关系。