一种高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法，包括步骤：将高超声速来流远场边界条件输入宏观CFD求解器中进行高超声速飞行器外流场的数值模拟；提取壁面组分质量分数和温度分布；通过微观RMD求解器得到记录均方位移数据的msd.txt文件和原子轨迹文件；通过MSD方法及Fick定律计算得到质量损失率与材料密度的比值，即烧蚀后退速率；将其输入CFD求解器进行网格重构和瞬态计算，得到高超声速飞行器外流场随飞行器壁面烧蚀后退的瞬态变化情况。该方法采用宏观微观耦合的多尺度预测，相比单一的宏观或微观模拟精度更高，对界面处烧蚀后退现象的表征更为准确，能够为高超声速飞行器烧蚀型热防护系统的发展研究提供必要的科学理论支撑。研究提供必要的科学理论支撑。研究提供必要的科学理论支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法


[0001]本专利技术属于航空宇航科学领域，针对半主动式热防护系统（烧蚀型防热材料）进行流固耦合跨尺度数值模拟的研究，更具体地说，涉及一种高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器在飞行过程中由于气动加热和高温气体非平衡效应等，服役环境相比低速飞行器更为恶劣，因此通过热防护系统克服极端热载荷成为了目前的一个挑战。半主动式热防护系统中的烧蚀型防热材料具有极高的防热效率，但由于烧蚀后退效应，飞行器外形会发生变化，并且在气固界面处会发生复杂的传热传质现象，影响飞行器防热材料表面热分布，极大地提高了热预测的难度。
[0003]工程上，对高超声速飞行器表面热力特性的研究主要集中在风洞实验、理论推导和数值模拟三个方面。高超声速风洞实验成本高、试验周期长，且无法满足高超声速飞行器飞行环境的焓值和雷诺数等关键参数的要求；理论推导方法计算效率较低，高次多元复杂方程求解较为困难，且难以描述大型复杂物理模型。数值模拟方法计算效率相对较高，成本相对较低，能够在一定程度上弥补另外两种方法的缺陷。传统的CFD数值模拟方法气动热计算针对壁面的复杂反应采用的是通过经验方程得到的有限化学反应速率模型，但这些有限化学反应速率模型均是在宏观连续性假设的基础上建立的，而实际高超声速飞行服役环境中材料气固界面的真实尺度差异可能导致连续性假设失效。在高克努森数K
n
下，微小的平衡偏差将会导致连续介质方法失效，致使宏观性质出现较大的波动。因此，在微观尺度对异相反应路径进行更精细的研究，从而给出更为精准的壁面边界条件十分必要。但是在高超声速烧蚀型热防护系统领域，尚未形成一套完整的多尺度耦合数值模拟计算方法，既能够对气固界面非均相反应机理进行表征，又能够对宏观热防护系统进行高精度的热预测。
[0004]针对热防护材料壁面烧蚀现象的研究，中国专利技术专利CN112597590A公开了一种针对树脂基防热材料的体烧蚀质量损失的计算方法，对防热材料在气动加热情况下的过程进行模拟，并根据氧化气体浓度分布、防热材料内部温度分布和氧化动力学特性，积分计算得到防热材料烧蚀质量损失率；但该专利仅局限于树脂基材料，且并没有直接模拟壁面烧蚀现象，而是采用了简化数值模型进行计算，无法对防热材料烧蚀壁面的烧蚀行为进行表征。针对高超声速飞行器设计，中国专利技术专利CN106682392A公开了一种复杂高超声飞行器烧蚀效应快速计算方法，通过结合普朗特理论的无粘外流解与边界层理论，能够计算得到复杂外形高超声速飞行器热防护系统表面烧蚀的热流密度分布，烧蚀率以及热防护结构温度分布的时变特性；但该专利仅能得到固相材料的热学特性，对流场热力学特性的数值模拟还有所欠缺。
[0005]针对多尺度烧蚀模拟方法，Mehta等人在论文(Mehta N A, Levin D A. Multiscale modeling of damaged surface topology in a hypersonic boundary[J]. The Journal of Chemical Physics, 2019, 151(12): 124710.) 使用分子动力学(MD)对
具有光滑表面的高序热解石墨(HOPG)和相对粗糙的石英表面上的类冰氩气和无定形二氧化硅聚集体进行了轨迹模拟，将获得的粘附概率和弹性模量用于微米尺度的表面演化建模，以控制在蒙特卡洛方法(kMC)中可用于执行的位点数量，以精确模拟由分子撞击造成的对HOPG表面侵蚀现象；但该方法并没有将微观结果与宏观CFD计算联系起来，实现通过微观尺度的数值模拟提高宏观气动热预测的目的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种针对高超声速飞行器防热结构烧蚀行为的多尺度耦合预测的方法，该方法耦合宏观尺度和微观尺度的数值模拟方法能够很好地对热力化耦合作用下材料界面演化机理进行表征和气动热预测，提高对气固界面材料演化机理的表征能力和烧蚀型热防护系统表面热预测的精度，从跨尺度的角度助力热防护系统精细化及一体化设计，为高超声速飞行器的发展研究提供必要的科学理论支撑。
[0007]其中，本专利技术采用ANSYS Fluent作为宏观尺度的求解器，Fluent是目前各方面都较为全面的CFD软件之一。Fluent集成了多种算法和格式，且具有密度基求解器和压力基求解器，密度基求解器一般用于可压流，而压力基一般用于不可压流的求解。在N
‑
S方程计算格式方面，Fluent有AUSM和Roe
‑
FDS两种格式，Roe
‑
FDS相对比较常用，而AUSM格式在高超声速流动数值模拟上更有优势。因此，该求解器适用于高超声速飞行器的外流场求解，与本专利技术的研究对象一致。
[0008]本专利技术的微尺度反应分子动力学模拟研究将基于LAMMPS（Large
‑
scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator）分子动力学模拟程序开源代码平台进行计算。反应分子动力学（RMD），是在MD模拟方法的基础上，采用ReaxFF反应力场，在微观尺度计算多体体系内发生的物理化学过程的方法。ReaxFF与MD结合可模拟较大的体系，且不需要对反应路径进行预先定义。ReaxFF势函数场以键级（BO）为核心以描述体系中的成键和断键，键级是原子间距离的函数，在分子动力学的每一次循环时进行计算。通过ReaxFF反应力场计算得到的关于键级Bo的连接表（Connect Table），可使用键级截断半径作为判据对产物进行识别分析。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法，包括以下步骤：S1，在不考虑导致飞行器外形产生形变的烧蚀后退效应情况下，根据高超声速来流远场边界条件，通过CFD求解器进行无形变的高超声速飞行器外流场的数值模拟；S2，飞行器外形无形变的CFD计算收敛之后，通过后处理软件Tecplot提取高温区域壁面组分质量分数和温度分布，并取平均，将壁面组分平均质量分数和壁面平均温度输入RMD求解器；S3，根据密度和材料元素组成对目标烧蚀防热材料气固界面进行微观建模，得到目标烧蚀防热材料的微观模型，通过RMD求解器对微观模型进行数值模拟，加热温度与CFD计算得到的高温区域壁面平均温度一致，以CFD计算得到的壁面组分平均质量分数作为分子和原子的入射比例对微观模型中的固相原子模型进行撞击，得到记录均方位移数据的msd.txt文件和原子轨迹文件；S4，待微观模型达到稳定时，利用均方位移数据通过MSD方法计算体系扩散系数，
并利用原子轨迹文件统计防热材料原始固相在不同区域的密度，得到密度随扩散方向距离变化的斜率，通过Fick定律得到质量损失率，质量损失率与防热材料原始密度的比值即为烧蚀后退速率；S5：将烧蚀后退速率输入CFD求解器中，通过用户自定义模块UDF以烧蚀后退速率作为壁面网格移动的依据进行网格重构和瞬态计算，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，在不考虑导致飞行器外形产生形变的烧蚀后退效应情况下，根据高超声速来流远场边界条件，通过CFD求解器进行无形变的高超声速飞行器外流场的数值模拟；S2，飞行器外形无形变的CFD计算收敛之后，通过后处理软件Tecplot提取高温区域壁面组分质量分数和温度分布，并取平均，将壁面组分平均质量分数和壁面平均温度输入RMD求解器；S3，根据密度和材料元素组成对目标烧蚀防热材料气固界面进行微观建模，得到目标烧蚀防热材料的微观模型，通过RMD求解器对微观模型进行数值模拟，加热温度与CFD计算得到的高温区域壁面平均温度一致，以CFD计算得到的壁面组分平均质量分数作为分子和原子的入射比例对微观模型中的固相原子模型进行撞击，得到记录均方位移数据的msd.txt文件和原子轨迹文件；S4，待微观模型达到稳定时，利用均方位移数据通过MSD方法计算体系扩散系数，并利用原子轨迹文件统计防热材料原始固相在不同区域的密度，得到密度随扩散方向距离变化的斜率，通过Fick定律得到质量损失率，质量损失率与防热材料原始密度的比值即为烧蚀后退速率；S5：将烧蚀后退速率输入CFD求解器中，通过用户自定义模块UDF以烧蚀后退速率作为壁面网格移动的依据进行网格重构和瞬态计算，得到高超声速飞行器外流场随着飞行器壁面烧蚀后退的瞬态变化情况。2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将远场温度、压强、速度和远场组分质量分数的边界条件输入CFD求解器中，通过求解非平衡N
‑
S方程，得到结果文件，包括记录边界条件、湍流模型、组分输运模型、差分格式和网格的.cas文件和记录每个网格物理量数值的.dat文件。3.根据权利要求2所述的高超声速飞行器防热结构烧蚀行为多尺度预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：将.cas和.dat文件输入后处理软件Tecplot中，通过计算功能，对高温区域壁面所有网格上存储的参数沿着壁面方向进行积分并取平均，计算获得壁面平均温度T
w
、壁面N原子平均质量分数ω
N
、壁面N2分子平均质量分数ω
N2
、壁面NO分子平均质量分数ω
NO
、壁面O原子平均质量分数ω
O
和壁面O2...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶致凡，赵瑾，李志辉，文东升，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：