分形理論在碳化材料三維燒蝕熱防護計算中的應用

楊偉斌， 朱慶勇

(中山大學航空航天學院,廣東深圳 518107)

引 言

在航空航天領域,燒蝕是高超聲速飛行器最重要的熱防護形式.當燒蝕材料受熱時,材料發生熱解,釋放出熱解氣體.燒蝕過程中,熱解氣體進入邊界層,降低碳化層熱流,起到了熱阻塞的作用;同時熱解氣體流經碳化層引起溫度的降低,起到冷卻劑的作用.在這類熱防護系統設計過程中,溫度場的預測格外重要.因溫度場預測不準而不得不采用過大的防熱冗余,將嚴重影響飛行器性能;而不足的防熱設計將有可能導致飛行器損毀.

燒蝕材料通常用作熱防護材料,可以保護航天器免受大氣摩擦產生的大量熱量[1].針對材料的燒蝕機理以及高超聲速飛行器的燒蝕流場特性,國內外展開了廣泛的研究[2-3].Gokcen等用一維模型計算了碳化物在燒蝕過程中的內部熱響應[4].李鴻權等對熱解氣在碳化層內流動進行了研究，發現熱解氣對熱防護結構的溫度分布有很大的影響[5].劉驍等研究了碳化燒蝕材料的三維溫度場[6].多孔材料碳化過程中熱解氣體產生的機理已被許多研究者廣泛研究[7-8].用質量守恒、動量守恒和能量守恒方程描述物質守恒,可以分析熱解氣體在模型中的壓力分布和溫度分布,氣體在多孔介質中的流動遵循Darcy定律,朱慶勇等通過從Darcy定律導出的數學模型來探討流體在多孔介質中的擴散,建立了毛細管內流體以質量和能量平衡形式擴散的控制方程[9-10].

考慮到熱解……