一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法技术

本发明专利技术公开一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，属于高超声速飞行器发动机热防护技术领域。包括以下步骤：提供若干层梯度复合隔热结构所用材料层，将各层材料层按照由高温向低温的顺序依次布置；对梯度复合隔热结构建立一维瞬态温度场计算模型；给出描述梯度复合隔热结构传热过程的控制方程，该控制方程通过若干偏微分方程描述；采用隐式差分计算格式对偏微分方程离散，得到离散线性方程组；对离散线性方程组进行求解；本发明专利技术可以用来对高超声速飞行器高热流密度燃烧室壁面梯度复合隔热结构的瞬态温度场进行快速预测，可分析不同材料组合方案和不同材料热物性参数对壁面隔热的影响，为发动机热防护设计提供有效技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法
本专利技术涉及火箭发动机、冲压发动机、爆震发动机等高热流密度发动机燃烧室壁面隔热结构温度场计算，具体涉及到一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，属于高超声速飞行器发动机热防护

技术介绍
高超声速飞行器凭借其高机动性、快飞行速度以及远程精准打击等优点，已经成为世界各国航空航天的主要发展方向。高超声速飞行器飞行时发动机工作在高速、高温和高强度燃烧的极端热物理条件下，尤其是燃烧室内燃气温度可高达2500-3000K，且高温燃气具有强氧化和剥蚀特性。因此，对发动机燃烧室壁面实施有效热防护技术成为目前亟需进行的工作之一。发动机燃烧室壁面热防护技术分为主动热防护和被动热防护两种形式，而被动热防护凭借其良好的可靠性和经济性受到了广泛采用。但是单一种类或结构的被动热防护难以满足隔热需求，隔热效果更好的梯度复合隔热结构是被动热防护技术的发展趋势。梯度复合隔热结构根据壁面不同温度区间隔热需求设计，典型方案从高温到低温布置为陶瓷基类耐烧蚀材料层-树脂基类烧蚀材料层-柔性轻质隔热材料层-金属基体层，集成了耐烧蚀层耐烧蚀抗冲刷特性、烧蚀层烧蚀相变吸热、柔性隔热层结构增强等综合优势，具有广泛的应用前景。当前对于高超声速飞行器被动防热问题，主要通过实验作为研究手段；而通过实验研究的手段需要采用较高成本的实验设备及资源，且费时费力，而发展数值模拟对减小实验工作量和降低成本具有重要意义，对于梯度复合隔热结构尤其缺乏相关数值模拟研究。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术公开的是一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，通过建立隔热结构物理和数学模型，采用有限差分法对瞬态温度场进行数值模拟，能够方便快捷地对隔热结构温度变化进行预测，从而实现对隔热结构隔热性能的评估，解决现有技术中需要通过较高成本的实验方式才能获取被动防热模拟的技术问题。同时，本方法可以研究不同材料组合方案和不同材料热物性参数对隔热性能的影响，反演实验关键热物性参数，可以推广到多种隔热结构热防护设计和热性能考核。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，提供若干层梯度复合隔热结构所用的材料层，并将各层材料层按照由高温向低温的顺序依次布置；步骤2，对梯度复合隔热结构建立一维瞬态温度场计算模型；步骤3，给出描述梯度复合隔热结构传热过程的控制方程，该控制方程通过若干偏微分方程描述；步骤4，采用隐式差分计算格式对偏微分方程离散，得到离散线性方程组；步骤5，对离散线性方程组进行求解，得到梯度复合隔热结构瞬态温度场的数值解。进一步的，步骤1中，所述各层材料组合方案按照由高温向低温的顺序依次布置为：陶瓷基类耐烧蚀材料层、树脂基类烧蚀材料层、柔性轻质隔热材料层、金属基体层。进一步的，步骤2中，根据烧蚀材料层在受热过程中发生的物理化学变化，建立梯度复合隔热结构一维瞬态温度场计算模型，该模型共分为四个阶段：阶段一：隔热结构烧蚀材料层未达到热解和碳化温度；阶段二：隔热结构烧蚀材料层开始热解，但未达到碳化温度；阶段三：隔热结构烧蚀材料层正在进行热解和碳化；阶段四：隔热结构烧蚀材料层全部碳化。进一步的，步骤3中，描述多层材料传热过程的控制方程包括各层瞬态导热方程、交界面热平衡方程和边界能量守恒方程，整个传热过程分为四个阶段：阶段一：烧蚀材料未热解未碳化，隔热结构包括耐烧蚀材料层、烧蚀材料层、隔热材料层和金属基体层，各层瞬态导热方程由下述偏微分方程描述：其中，下标i取值分别为1、4、5和6，与各层材料序号对应，ρi为各层材料密度，ci为各层材料比热，λi为各层材料导热系数，t为时间变量，y为空间变量，T为温度场函数；交界面热平衡方程由下述偏微分方程描述：其中，下标i-j取值分别为1-4、4-5和5-6，与各层材料序号对应，ρi-j表示交界面的当量密度，ci-j表示交界面的当量比热，λi-j表示交界面的当量导热系数，用调和平均法计算交界面当量物性：边界能量守恒方程由下述偏微分方程描述：在内侧与燃气接触壁面，未发生热解和碳化，由能量守恒得：其中，Δy表示空间步长，qin为进入材料内部的热流：qin＝minhs+qrad-in+qconn-in-qrec-(ρv)whw其中，minhs为热解气体流动引起的热流；qrad-in为燃气辐射进入壁面的热流；qcon-in为燃气与壁面的对流热流；qrec为反应的吸热；(ρv)whw为壁面气体流动引起的热流；在外侧与外界环境接触壁面，通过与外界环境的对流换热和辐射换热散出热流，由能量守恒得：其中，Tf表示环境温度，Tw表示金属层与环境接触面温度；h表示等效对流换热系数，h为对流换热系数hc和辐射换热系数hr之和，即：这里，F表示一个小于1的修正因子，按照辐射换热折合而得；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；阶段二：烧蚀材料开始热解未碳化，隔热结构包括耐烧蚀材料层、热解层、剩余烧蚀材料层、隔热材料层和金属基体层，耐烧蚀材料层和热解层瞬态导热方程由下述偏微分方程描述：其中，下标i取值分别为1和3，其余各层瞬态导热方程与方程(1)相同，min表示热解气体的质量流率，Cpg表示热解气体的比热；耐烧蚀材料层和热解层交界面热平衡方程由下述偏微分方程描述：其中，下标i-j只取1-3，其余各层交界面热平衡方程与方程(2)相同；在内侧与燃气接触壁面，开始热解尚未碳化，边界能量守恒方程由下述偏微分方程描述：在外侧与外界环境接触壁面，边界能量守恒方程与方程(4)相同；阶段三：烧蚀材料正在进行热解和碳化，隔热结构包括耐烧蚀材料层、烧蚀材料碳化层、热解层、剩余烧蚀材料层、隔热材料层和金属基体层，耐烧蚀材料层、烧蚀材料碳化层和热解层瞬态导热方程与方程(5)相同，其余各层瞬态导热方程与方程(1)相同；烧蚀材料碳化层与热解层交界面热平衡方程由下述偏微分方程描述：其中，ΔHp为烧蚀材料的热解潜热，耐烧蚀材料层和烧蚀材料碳化层交界面热平衡方程与方程(6)相同，其余各层交界面热平衡方程与方程(2)相同；内外侧边界能量守恒方程分别同方程(7)和方程(4)；阶段四：烧蚀材料完全碳化，热解气体吸热和烧蚀吸热结束，隔热结构包括耐烧蚀材料层、烧蚀材料碳化层、隔热材料层和金属基体层，各层瞬态导热方程与方程(1)相同；各层交界面热平衡方程与方程(2)相同；内外侧边界能量守恒方程分别同方程(3)和方程(4)。进一步的，步骤4中，采用隐式差分计算格式对微分方程离散，得到离散线性方程组，其特征如下：采用时间一阶向前差分，空间二阶中心差分隐式格式，则偏微分方程的离散方式为：...

【技术保护点】
1.一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1，提供若干层梯度复合隔热结构所用的材料层，并将各层材料层按照由高温向低温的顺序依次布置；/n步骤2，对梯度复合隔热结构建立一维瞬态温度场计算模型；/n步骤3，给出描述梯度复合隔热结构传热过程的控制方程，该控制方程通过若干偏微分方程描述；/n步骤4，采用隐式差分计算格式对偏微分方程离散，得到离散线性方程组；/n步骤5，对离散线性方程组进行求解，得到梯度复合隔热结构瞬态温度场的数值解。/n

【技术特征摘要】
1.一种获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，提供若干层梯度复合隔热结构所用的材料层，并将各层材料层按照由高温向低温的顺序依次布置；
步骤2，对梯度复合隔热结构建立一维瞬态温度场计算模型；
步骤3，给出描述梯度复合隔热结构传热过程的控制方程，该控制方程通过若干偏微分方程描述；
步骤4，采用隐式差分计算格式对偏微分方程离散，得到离散线性方程组；
步骤5，对离散线性方程组进行求解，得到梯度复合隔热结构瞬态温度场的数值解。


2.根据权利要求1所述的梯度复合隔热结构瞬态温度场的数值求解方法，其特征在于：步骤1中，所述各层材料组合方案按照由高温向低温的顺序依次布置为：陶瓷基类耐烧蚀材料层1、树脂基类烧蚀材料层4、柔性轻质隔热材料层5、金属基体层6。


3.根据权利要求2所述的获取梯度复合隔热结构瞬态温度场的方法，其特征在于：步骤2中，根据烧蚀材料层4在受热过程中发生的物理化学变化，建立梯度复合隔热结构一维瞬态温度场计算模型，该模型共分为四个阶段：
阶段一：隔热结构烧蚀材料层4未达到热解和碳化温度；
阶段二：隔热结构烧蚀材料层4开始热解，但未达到碳化温度；
阶段三：隔热结构烧蚀材料层4正在进行热解和碳化；
阶段四：隔热结构烧蚀材料层4全部碳化。


4.根据权利要求2所述的梯度复合隔热结构瞬态温度场的数值求解方法，其特征在于：步骤3中，描述多层材料传热过程的控制方程包括各层瞬态导热方程、交界面热平衡方程和边界能量守恒方程，整个传热过程分为四个阶段：
(a)阶段一：烧蚀材料未热解未碳化，隔热结构包括耐烧蚀材料层1、烧蚀材料层4、隔热材料层5和金属基体层6，各层瞬态导热方程由下述偏微分方程描述：



其中，下标i取值分别为1、4、5和6，与各层材料序号对应，ρi为各层材料密度，ci为各层材料比热，λi为各层材料导热系数，t为时间变量，y为空间变量，T为温度场函数；
交界面热平衡方程由下述偏微分方程描述：



其中，下标i-j取值分别为1-4、4-5和5-6，与各层材料序号对应，ρi-j表示交界面的当量密度，ci-j表示交界面的当量比热，λi-j表示交界面的当量导热系数，用调和平均法计算交界面当量物性：









边界能量守恒方程由下述偏微分方程描述：
在内侧与燃气接触壁面，未发生热解和碳化，由能量守恒得：



其中，Δy表示空间步长，qin为进入材料内部的热流：
qin＝minhs+qrad-in+qconn-in-qrec-(ρv)whw
其中，minhs为热解气体流动引起的热流；qrad-in为燃气辐射进入壁面的热流；qcon-in为燃气与壁面的对流热流；qrec为反应的吸热；(ρv)whw为壁面气体流动引起的热流；
在外侧与外界环境接触壁面，通过与外界环境的对流换热和辐射换热散出热流，由能量守恒得：



其中，Tf表示环境温度，Tw表示金属基体与环境接触面温度；h表示等效对流换热系数，h为对流换热系数hc和辐射换热系数hr之和，即：



这里，F表示一个小于1的修正因子，按照辐射换热折合而得；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；
(b)阶段二：烧蚀材料开始热解未碳化，隔热结构包括耐烧蚀材料层1、热解层3、剩余烧蚀材料层4、隔热材料层5和金属基体层6，耐烧蚀材料层1和热解层3瞬态导热方程由下述偏微分方程描述：



其中，下标i取值分别为1和3，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭晓茗，田佳，张靖周，张义宁，孟皓，贾冰岳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32