烧蚀状态下碳基材料非平衡流场与固体温度场耦合数值模拟研究

摘要

在由热化学非平衡效应控制的高温区，空气和再入弹头防热材料的烧蚀产物会发生一系列的化学反应，从而对等离子体鞘套内各种组分的质量浓度、电子数密度以及压力、密度、温度、壁面热流等产生了不可忽视的影响，进而影响了目标的辐射和电磁散射特性，因此准确预测再入弹头烧蚀状态下的热化学非平衡流场对发展导弹突防技术和目标识别技术意义重大。
　　烧蚀状态下的热化学非平衡流场的数值模拟不仅需要研究热化学非平衡流场的计算方法，还需要考虑烧蚀产物对流场的影响，而烧蚀产物的计算又与防热材料的壁面温度密切相关。基于上面的分析，本文依次研究了以下四个方面的内容:固体温度场数值模拟、碳基复合材料烧蚀机理及工程算法、热化学非平衡流场数值模拟和固体温度场—烧蚀—非平衡流场的耦合方法。
　　本文采用热平衡法编制了固体温度场数值模拟软件，并针对三维长方体算例进行了计算和分析，计算结果表明该软件的计算误差在0.4％以内，具有很高的计算精度;采用工程算法编制了碳基复合材料烧蚀计算软件，并针对驻点烧蚀退化算例进行了计算和分析，计算结果表明该软件的计算误差在15％以内，具有很高的计算精度;在项目组已有的热化学非平衡流场数值模拟软件中加入了碳基复合材料烧蚀产物与空气的化学反应模型，并采用双温模型针对三维球锥算例进行了计算和分析，计算结果表明该软件具有很高的计算精度。
　　在上述工作的基础上，本文进一步研究了固体温度场—烧蚀—非平衡流场的耦合数值模拟方法，并将上述三套独立的计算软件耦合在一起形成了一套完整的烧蚀状态下碳基复合材料非平衡流场与固体温度场耦合数值模拟软件，然后在作者自己给定的计算模型、计算条件和初始条件下使用此耦合软件进行了数值模拟，并对计算结果进行了详细的展示和分析。计算结果表明本耦合数值模拟软件的计算结果符合物理和化学规律，这在一定程度上说明了本耦合数值模拟软件的计算准确性。

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摘要

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附表清单

符号及缩写清单

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 热化学非平衡数值模拟研究

1．2．2 烧蚀机理研究

1．3 本文研究内容

2 固体温度场数值模拟

2．1 导热微分方程

2．2 数值计算方法

2．2．1 初始条件和边界条件

2．2．2 热平衡法

2．3 三维长方体算例计算与分析

2．4 本章小结

3 烧蚀机理及工程算法

3．1 物化性能

3．1．1 碳的相图

3．1．2 碳的升华特性

3．1．3 碳基复合材料的物性参数

3．2 烧蚀机理

3．3 烧蚀工程算法

3．3．1 氧化过程

3．3．2 升华过程

3．4 驻点烧蚀退化算例计算与分析

3．5 本章小结

4 热化学非平衡流场数值模拟

4．1 非平衡气体控制方程

4．1．1 直角坐标系

4．1．2 贴体坐标系

4．2 非平衡效应

4．2．1 化学非平衡

4．2．2 振动非平衡

4．2．3 振动离解耦合效应

4．2．4 状态方程与能量关系式

4．2．5 输运系数

4．3 空间离散方法

4．3．1 有限体积离散

4．3．2 通量分裂技术

4．3．3 差分重构格式

4．4 时间离散方法

4．4．1 隐式求解方法

4．4．2 时间步长计算

4．4．3 源项处理方法

4．5 三维球锥算例计算与分析

4．6 本章小结

5 烧蚀状态下的流场温度场耦合数值模拟

5．1 耦合计算方法

5．2 计算模型及条件

5．3 计算结果展示与分析

5．3．1 烧蚀温度场

5．3．2 烧蚀流场

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录A 碳基复合材料数据表

附录B 热化学非平衡效应数据表

个人简历