CVD金刚石膜钝头体飞行温度与压力的仿真研究

摘要

光学级CVD金刚石膜具有与天然金刚石相近的高热传导率和高硬度，可以承受超音速飞行时高速气流、雨滴和尘埃的冲蚀以及温度的骤变，是钝头体飞行器头罩窗口的理想材料之一。因此，开展光学级CVD金刚石膜在高速飞行状态下温度场以及压力场的仿真研究，可为评估光学级CVD金刚石膜在钝头体飞行器中的实际应用提供理论依据，具有非常重要的实用价值和国防意义。 本文以光学级CVD金刚石膜在钝头体飞行器头罩与光学窗口中的应用为背景，以计算流体动力学理论及其仿真软件为基础，建立了两种钝头体飞行器的有限元仿真模型，开展了其高速飞行条件下温度场以及压力场的仿真分析研究，取得了一定的阶段性成果。所完成的主要工作如下： 1．运用GAMBIT和FLUENT软件得到了较高质量的计算网格，建立了CVD金刚石厚膜钝头体在飞行条件下的外流场有限元仿真模型；通过现有风洞试验的压力值和计算流体力学中滞止温度理论公式计算值，验证了所建仿真模型的正确性；得到了不同飞行马赫数下压力和温度的分布规律，由此分析了不同马赫数条件下CVD金刚石膜应用的可行性。 2．建立了CVD金刚石膜钝头体薄壁头罩的温度场仿真模型，对外壁面采用气固耦合传热条件，得出了头罩内壁的不同传热条件以及不同飞行马赫数等对温度场的影响；在此基础上，分析对比了现有不同种红外/毫米波光学透波材料头罩的温度场分布情况，进一步说明了钝头体头罩采用金刚石材料的优越性。 3．研究发现，随着马赫数的增加，温度场中最大温度值也随之增大；在马赫数大于1时，会产生明显的弓形激波，且激波的锥角随马赫数增加而减小，这与理论结果相一致；当马赫数为3.5时，即使在头罩内壁绝热条件下，温度场中最大温度值也在1000K以下，低于CVD金刚石的石墨化温度。