【摘 要】
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飞行器在高速飞行过程中会面临严重的气动加热问题,需要对飞行器进行热防护以确保飞行器结构的安全及飞行轨迹的准确。烧蚀热防护作为最重要的热防护手段,是发展高超声速飞行器的基础。烧蚀是一个外部流场-表面烧蚀-内部传热相互作用的耦合过程,问题非常复杂,需要防热材料研制、防热系统设计、地面烧蚀试验设备和测试、传热传质学科的共同发展来解决飞行器热防护问题。烧蚀试验提供了材料烧蚀的基础数据,但往往费时费力,而数
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飞行器在高速飞行过程中会面临严重的气动加热问题,需要对飞行器进行热防护以确保飞行器结构的安全及飞行轨迹的准确。烧蚀热防护作为最重要的热防护手段,是发展高超声速飞行器的基础。烧蚀是一个外部流场-表面烧蚀-内部传热相互作用的耦合过程,问题非常复杂,需要防热材料研制、防热系统设计、地面烧蚀试验设备和测试、传热传质学科的共同发展来解决飞行器热防护问题。烧蚀试验提供了材料烧蚀的基础数据,但往往费时费力,而数值仿真计算作为试验的补充,不仅有助于理解材料烧蚀机理,同时能在一定程度上减少烧蚀试验次数。C/SiC复合材料凭借其耐烧蚀、耐高温的特点正逐渐成为飞行器热防护的首选材料。COMSOL作为多物理场仿真软件,对于解决材料烧蚀的耦合问题具有其优势。本文主要利用COMSOL分析了C/SiC复合材料的烧蚀问题,建立材料烧蚀模型,求解计算材料的烧蚀温度场分布及烧蚀表面后退率。具体来说,首先利用开放系统元素守恒及表面热化学平衡推导了材料烧蚀的热化学方程,并利用MATLAB编程计算,采用带参数的Newton-Raphson算法求解非线性方程组。在此基础之上分析计算了C/SiC的热化学烧蚀问题,考虑了碳氧反应、碳氮反应和碳的升华,以及SiC反应生成气相产物及SiC氧化生成Si O2,获得了不同温度及压力下C/SiC的无量纲质量烧蚀率及气相产物平衡分压,同时对于C/SiC-Zr B2的热化学烧蚀计算也进行了初步探索。接着分析了C/SiC复合材料的烧蚀过程,建立了材料烧蚀的一维模型,获得了材料烧蚀热响应的一维非稳态传热微分方程,并利用斜坡函数添加限制热流确保材料表面温度不会明显超过烧蚀驻点温度。通过推导无量纲烧蚀率与烧蚀表面后退率的关系式,利用COMSOL的变形几何功能实现了材料烧蚀的表面后退。考虑了材料无量纲烧蚀率、比热容和热导率随温度的变化,并利用Origin数据拟合获得了材料热物性参数随温度变化的关系式。最后通过COMSOL建模仿真获得了C/SiC材料烧蚀的温度场分布及烧蚀表面后退率,将线烧蚀率计算结果与文献中的试验结果进行对比,结果表明计算结果与试验结果符合较好,误差主要来源于计算过程中未考虑材料烧蚀时的液态层流失及机械剥蚀的影响。
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