快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法技术

本发明专利技术公开了一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法，涉及工程热物理传热传质技术领域。所述CFD计算方法包括：确定功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件；基于确定的功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件，得到功能梯度复合材料的许用热物性范围；基于功能梯度复合材料的许用热物性范围，判断功能梯度复合材料热物性是否达标。本发明专利技术节约了大量时间和人力物力成本，并且能够保证足够的检测精度，有利于快速评价对功能梯度复合材料热物性是否达标，减小航空航天飞行试验风险因素，提高功能梯度复合材料制备检测效率。材料制备检测效率。材料制备检测效率。

【技术实现步骤摘要】
快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法


[0001]本专利技术涉及工程热物理传热传质
，特别是一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法。

技术介绍

[0002]随着热防护需求的发展，单一材料或者普通复合材料已经无法满足防热系统的多功能要求，使得飞行器防隔热材料采用功能梯度复合材料逐渐成为一种发展趋势（典型梯度复合材料结构如图1所示）。功能梯度复合材料的主要特点是其物性在空间分布是梯度变化而非均匀的，这就使得材料的制备工艺相当复杂，并且材料的热物性很难做到与设计状态一致，在工程实践中，对材料传热性能预测一般都有精度要求，而材料热物性偏差会降低材料传热性能的预测精度，因此检验制备的复合材料热物性是否满足精度要求对于提高材料传热性能预测能力，减小航空航天飞行试验风险具有重要意义。
[0003]现有的功能梯度复合材料热物性精度检测方法大多通过实验测试，也可以通过理论近似进行分析，常见的方法有混合平均法和微观力学法。但通过实验手段检验测试消耗的时间成本和人力物力成本都很高昂，通过理论近似虽然可以节省成本，但相应的精度损失也会很大。因此亟需建立一种既快速又准确地判断制备的复合材料热物性是否满足指标要求的方法。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术提供一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法，以解决上述技术问题。
[0005]本专利技术公开了一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法，其包括：步骤1：确定功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件；步骤2：基于确定的功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件，得到功能梯度复合材料的许用热物性范围；步骤3：基于功能梯度复合材料的许用热物性范围，判断功能梯度复合材料热物性是否达标。
[0006]进一步地，所述步骤1包括：根据功能梯度复合材料的热物性，确定基准热物性分布，其中为基准物性，为物性随空间的分布函数；给定典型位置处的许用最大温度偏差和热物性偏差尺度增长因子，选取典型测试工况作为边界条件；所述典型测试工况包括恒温加热、恒定热流加热，变热流加热，对流加热；所述边界条件是功能梯度材料壁面的数值计算边界条件，包括绝热边界、恒温边界及典型测试工况提到的加热边界条件。
[0007]进一步地，所述步骤2包括：
步骤21：基于确定的功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件，通过CFD计算得到功能梯度复合材料典型位置处的初值温度；其中，典型位置为重点关注的区域或是容易造成热破坏的位置；步骤22：基于偏差处理后的功能梯度复合材料的热物性参数和步骤1确定的边界条件，通过CFD计算得到功能梯度复合材料典型位置处的温度；步骤23：基于功能梯度复合材料典型位置处的温度和典型位置处的初值温度，得到功能梯度复合材料的许用热物性范围。
[0008]进一步地，所述步骤21包括：基于步骤1确定的基准物性分布和边界条件，通过CFD求解以下非稳态导热扩散方程，得到典型位置处的初值温度；其中，为求导符号，ρ为功能梯度复合材料的密度，为功能梯度复合材料的比热，T为功能梯度复合材料计算的时变温度，t为加热时间，x,y,z为空间坐标。
[0009]进一步地，所述步骤22之前，还包括：对功能梯度复合材料的基准热物性进行偏差处理。
[0010]进一步地，所述对功能梯度复合材料的基准热物性进行偏差处理的过程为：令；其中为偏差后的热物性，为正数或负数，为正数时表示功能梯度复合材料物性往增大的方向偏差，为负数表示功能梯度复合材料物性为减小的方向偏差。
[0011]进一步地，所述步骤22包括：基于和步骤1确定的计算边界条件，通过CFD求解以下非稳态导热扩散方程，得到典型位置处的初值温度：。
[0012]进一步地，所述步骤23包括：计算典型位置处的温度和初值温度的相对差值，比较与典型位置处的许用最大温度偏差的大小。
[0013]进一步地，若，则令，然后重复步骤22~步骤23；若，则得到许用热物性范围~。
[0014]进一步地，所述步骤3包括：基于得到的许用热物性范围~，若功能梯度复合材料热物性在~范围内，则认为功能梯度复合材料热物性达标，若功能梯度复合材料热物性在~范围外，则认为功能梯度复合材料热物性不达标。
[0015]由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：本方法的优势在于不需要做实验检测，仅通过给定设计状态和典型工况开展CFD计算获取许用的热物性范围作为判断制备的功能梯度材料是否达标的判据。该方法避免了做实验检测繁杂的过程，节约了大量时间和人力物力成本，并且能够保证足够的检测精度，有利于快速评价对功能梯度复合材料热物性是否达标，减小航空航天飞行试验风险因素，提高功能梯度复合材料制备检测效率。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本专利技术实施例的典型梯度复合材料结构示意图；图2为本专利技术实施例的一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法的流程示意图；图3(a)为本专利技术实施例的判据工况实例
‑
物性偏差示意图；图3(b)为本专利技术实施例的判据工况实例
‑
典型位置处温度响应示意图。
具体实施方式
[0018]结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本专利技术实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术实施例保护的范围。
[0019]参见图2，本专利技术提供了一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法的实施例，其包括以下步骤：S1.根据设计状态确定基准热物性分布，其中为基准物性，单位W/(m
·
K)，为物性随空间的分布函数，给定典型位置处的许用最大温度偏差（单位℃）和热物性偏差尺度增长因子（为经验常数，一般取
±
0.01），选取典型测试工况作为计算边界条件。例如，给定加热面的边界为固定热流q
w
=100kW/m2，即，其中，为求导符号，表示加热面的热流，单位kW/m2，下标w表示加热壁面，n为加热壁面的法线方向；其余壁面设为绝热边界，即与外部环境没有能量交换。
[0020]典型位置是指研究重点关注的区域或是容易造成热破坏的位置，如顿体的驻点、材料的表面及内壁等。典型测试工况包括恒温加热、恒定热流加热，变热流加热，对流加热等。边界条件是功能梯度材料壁面的数值计算边界条件，包括绝热边界、恒温边界及上述测试工况提到的加热边界条件。边界条件是为了使热扩散方程收敛到固定解而给出的约束条件，不同的情形对应的边界条件是不同的，一般传热学教材里都会归纳常用的边界条件分类。
[0021]S2.基于S1确定的基准热物性分布和计算边界条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速判断功能梯度复合材料热物性是否达标的CFD计算方法，其特征在于，包括：步骤1：确定功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件；步骤2：基于确定的功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件，得到功能梯度复合材料的许用热物性范围；步骤3：基于功能梯度复合材料的许用热物性范围，判断功能梯度复合材料热物性是否达标。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：根据功能梯度复合材料的热物性，确定基准热物性分布，其中为基准物性，为物性随空间的分布函数；给定典型位置处的许用最大温度偏差和热物性偏差尺度增长因子，选取典型测试工况作为边界条件；所述典型测试工况包括恒温加热、恒定热流加热，变热流加热，对流加热；所述边界条件是功能梯度材料壁面的数值计算边界条件，包括绝热边界、恒温边界及典型测试工况提到的加热边界条件。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21：基于确定的功能梯度复合材料的基准热物性分布和边界条件，通过CFD计算得到功能梯度复合材料典型位置处的初值温度；其中，典型位置为重点关注的区域或是容易造成热破坏的位置；步骤22：基于偏差处理后的功能梯度复合材料的热物性参数和步骤1确定的边界条件，通过CFD计算得到功能梯度复合材料典型位置处的温度；步骤23：基于功能梯度复合材料典型位置处的温度和典型位置处的初值温度，得到功能梯度复合材料的许用热物性范围。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤21包括：基...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡兴考，杨肖峰，肖光明，杜雁霞，刘磊，魏东，桂业伟，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：