用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，本方法针对多层热防护结构，确定其初始参数，包括各层数、各层厚度、各层的热物性参数如密度、导热系数、比热容、吸热热源的方程、气隙厚度及热物性参数的变化关系式，建立多层热防护结构的微分方程组，给定热边界条件和层间连续条件，基于有限单元法划分单元，对微分方程组进行离散，计算热容矩阵、导热系数矩阵、热荷载矩阵，建立矩阵方程组；采用高斯

【技术实现步骤摘要】
用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法


[0001]本专利技术属于发动机辅助测试领域，尤其涉及燃烧室多层热防护结构的传染计算方法。

技术介绍

[0002]随着对航空发动机性能的要求不断提高，发动机燃烧室的燃气温度不断上升，对发动机金属外壁面高效热防护的需求也更加急迫，特别是在固体燃料冲压发动机中，热防护结构的隔热效果显得尤为重要。发动机燃烧室热防护可分为主动热防护与被动热防护，被动热防护是采用耐高温和耐烧蚀的热防护结构对发动机金属壳体进行有效的热保护，以防止发动机金属壳体在高温燃气作用下产生变形或降低可靠性。
[0003]被动热防护结构中经常采用具有耐高温、耐烧蚀的材料作为烧蚀层，例如碳/酚醛材料，然而由于其在高温作用下热解产生热解气体，其过程会吸收一部分热量，并且材料本身热物性改变的同时，热解气体的质量引射以及浸入到其他层都会对其他层的热物性参数产生影响；另外，由于金属结构和隔热固体材料之间的热膨胀系数不同，在一定高温下层间会产生气隙，起到一定的阻热作用，但是气隙的产生以及厚度的发展也是和时间和温度有关。以上因素对多层热防护结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立多层热防护结构的传热模型控制微分方程组：根据所述的多层热防护结构初始参数，建立一维瞬态多层导热微分方程组：第1层第2层
……
第n层其中：ρ
n
、c
n
、λ
n
分别为第n层热防护结构材料的密度、比热、导热系数，T为温度，t为时间，x为厚度方向的坐标；所述多层热防护结构的初始条件和两个边界条件表示为：初始条件为t＝0T(x,0)＝T
f
；边界条件为x＝x1：第一类或第二类或第三类热边界条件；其中，T
wg
是高温侧壁面温度，h是对流换热系数，T
wf
是低温侧壁面温度，T
f
是环境温度；所述多层热防护结构的边界面连续条件为：所述多层热防护结构的边界面连续条件为：
……
(2)采用有限单元法，对所述多层热防护结构的传热模型控制微分方程组进行离散：将厚度为L的多层热防护结构划分为N个一维导热离散单元，N+1个节点，则一个所述的离散单元由2个节点组成，任意选取其中一个离散单元，其节点分别为i和j，离散单元长度为l，若节点上的温度分别为Ti和Tj，则距离节点i为x点上的温度T(x)，用形函数插值公式表示为：T(x)＝N
i
T
i
+N
j
T
j
其中，Ni和Nj为形函数，表示为：(3)根据所述步骤(2)中所述的离散单元，得到每个离散单元的热传导矩阵和热容矩阵：所述每个离散单元的热容矩阵[C]和热传导矩阵[K]均为2
×
2的矩阵，温度{T}和热荷载{P}均为向量矩阵，矩阵分别表示如下：
其中，为节点温度对时间的一阶导数矩阵；(4)基于变分原理，针对所述N个一维导热离散单元的多层热防护结构区域进行计算，得到瞬态热传导有限元方程如下：式中，[C]
(N+1)
×
(N+1)
为由各离散单元矩阵叠加的热容矩阵，[K]
(N+1)
×
(N+1)
为各离散单元矩阵的叠加的热传导矩阵，{K}
(N+1)
×1为各离散单元矩阵的叠加的节点的温度列阵，{P}
(N+1)
×1为各离散单元矩阵的叠加的温度荷载列阵，为各离散单元矩阵的叠加的节点温度对时间的一阶导数列阵；(5)采用高斯
‑
赛德尔方法对步骤(4)得到的瞬态热传导的有限元方程进行求解，获得多层热防护结构的节点温度变化和外壁面温度变化，对所述的多层热防护结构的隔热性能进行评估。2.如权利要求1所述的用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于：所述多层热防护结构中，包括至少一层会在高温作用下产生热解气体的热解层，且所述的热解层不设置在多层热防护结构的最内或最外层，所述的热解层对应的一维瞬态导热微分方程组为：式中：为热解气体的吸热量，一般通过热解气体质量变化率和热解焓来计算，计算公式为：所述的热解层对应的界面连续条件表示为：所述的热解层对应的界面连续条件表示为：其中，q(t)为热解气体逸出后在层间形成热阻塞的热量，Ψ为热阻塞系数。3.如权利要求1所述的用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于：所述的多层热防护结构的传热模型控制微分方程组中，多层热防护材料的密度ρ、比热c、导热系数λ为温度函数，即ρ(T),c(t),λ(T)，然而，当多层热防护材料的表面温度在十秒内就变成1800K的高温时，所述的多层热防护材料的密度ρ、比热c、导热系数λ则为时间函数，即ρ(t),c(t),λ(t)。4.如权利要求1所述的用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于，所述多层热防护结构的金属外壳受到热膨胀影响时，则在金属外壳与所述多层热防护结构之间加入气隙层，而且此气隙层的厚度随温度变化，则计算方法还包括如下步骤：
(a)采用动网格模拟气隙，并根据气隙中混合气体的热物性参数，假设多层热防护结构的最后一个节点的坐标为x0，同时假设金属外壳层厚度上有I个单元，每个单元的长度为l
e
，各节点的坐标为x1，x2，...，x
I
；当层间产生气隙，所述的动网格就是将i个金属层的网格分给气隙，保持金属外壳层厚度不变，则金属层的网格数量为I
‑
i个；(b)根据步骤a得到的金属层的网格数量，得到气隙层的一维瞬态导热微分微分方程式为：式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：白晓辉，王玉清，张先龙，刘存良，刘冰，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：