防热材料起泡现象的物理建模和计算方法研究

一些烧蚀试验发现特定配方的有机涂层防热材料在受到加热时,在有机物热解时除产生通常的炭化层外,在热解区附近还会出现较严重的起泡物理现象,在防热层内部区域形成很明显的较大泡沫,使防热层厚度增加,改变了防热材料的传热性能和物理模型,减缓了热量向内部结构的传递,降低内部结构的温升,对防热结构设计非常有利.本文细致分析了外部加热时有机涂层的热解烧蚀过程,初步建立防热材料起泡现象的物理模型和控制方程,数值模拟了起泡现象对内部温度场结果的具体影响,并与试验结果进行了比较.     

高超声速再入体表面热解烧蚀效应数值模拟

表面防热材料热解与烧蚀效应研究在高超声速飞行器总体设计中具有重要应用价值。以热解烧蚀效应对飞行器目标特性及通信性能影响的预测评估为背景, 从化学非平衡气体动力学方程及固体热传导方程出发, 建立了气-固交界面上热解烧蚀壁面边界条件的一般形式及热物理化学模型, 发展了高超声速再入体绕流流场与表面材料内部温度场耦合求解的数值模拟方法, 并对计算模型和数值方法的可靠性进行了验证分析。在此基础上针对复杂外形再入体及表面硅基防热材料, 开展了典型再入条件下再入体绕流及尾流流场的数值模拟, 重点分析了表面材料热解烧蚀效应对流场等离子体分布的影响。研究表明: 在表面材料中不含碱金属杂质的情况下, 热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布影响较小, 而在含有微量碱金属杂质的情况下, 热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布及化学组分分布具有很大影响, 由此对再入目标特性与电磁通信性能带来的影响不容忽视。      

飞船返回舱气动热及烧蚀防热的不确定性初步研究

由于飞船返回舱的气动加热和热化学烧蚀是非常复杂的变化过程,许多参数很难测定,并且与材料制造工艺水平密切相关,目前使用的数据存在较大散布,需要研究这些不确定因素对防热效果的具体影响。本文数值模拟了炭化材料的烧蚀热响应过程,研究了气动加热及材料参数的不确定性对计算结果的影响,在对计算结果进行分析的基础上,定量地研究了这些不确定量对烧蚀防热影响大小,说明了防热材料的各物理量对烧蚀防热影响重要程度完全不同,应该对几个关键参数进行深入细致的研究。     

在瞬态加热条件下测定低温炭化烧蚀材料导热系数的实验研究

低温炭化烧蚀材料的导热系数随材料的结构、工艺及使用中加热速率的不同而变化。我们采用非稳态的测试方法,利用等离子体射流加热试件,造成近于真实的烧蚀环境,得到比较真实的导热系数。 测试原理 烧蚀后的低温炭化防热材料一般分为炭化区、热解区和原始材料区。经过简化假定,可以列出描述这三个区域物理模型的微分方程。原始材料的导热系数直接影响防热层的温度分布,但若利用三个区的整套方程通过多次计算来摸清它的准确影响,不但计算量过大,而且也无法排除许多其它因素的影响。因而我们按下述原理拟定试验     

窗口区域烧蚀瞬态热响应耦合计算与温升规律研究

本文针对航天器窗口区域局部防热结构，进行了数值计算和研究，成功地解决了材料热解、烧蚀以及复杂形状和边界传热的耦合计算问题。本文还针对防热结构均匀加热与表面变化加热量两种不同的加热条件；计算分析了有关温升规律的差别及其物理原因，为防热设计提供参考。     

采用非均匀防热材料进行高速飞行器防热设计的防热效果研究

本文提出采用非均匀防热材料进行高超声速飞行器防热设计的设想,设计出外层部分为抗烧蚀、抗剪切的紧密结构材料,内层为密度轻、隔热效率高的稀松材料,中间为逐渐过渡层的非均匀防热材料,数值模拟了非均匀防热材料的烧蚀防热情况,探讨了非均匀防热材料在飞行器防热设计中应用的可行性和防热效果,通过本文研究发现采用非均匀防热材料可以降低原始材料质量消耗,大大减轻防热结构重量,减少向内部结构传导的热量,降低内部结构的温升,这些优点显示了非均匀防热材料具有很高的防热效率和广阔的应用前景.     

烧蚀对强脉冲离子束在高分子材料中能量沉积的影响

高能量密度纳秒量级强脉冲离子束辐照材料表面的烧蚀产物和束流的相互作用,可能对束流在靶中的能量沉积产生影响,进而影响烧蚀情况下的束流分析和相关应用的优化.本文采用红外成像方法对横截面能量密度1.5—1.8 J/cm~2的强脉冲离子束在304不锈钢和高分子材料上的能量沉积进行了测量分析.结果表明在高分子材料上,在超过一定能量密度后,束流引发材料表面烧蚀产物的屏蔽效应使得大部分束流能量不能沉积在靶上.采用有限元方法对束流引发的温度场分布进行了计算,验证了高分子材料的低热导率以及低分解温度使其在脉冲辐照早期即开始热解,烧蚀产物对后续束流能量的进一步沉积产生屏蔽.此类效应在金属上存在的可能性和对束流诊断等应用的影响,亦进行了讨论.     

X43高超声速飞行器的飞行热走廊研究

建立飞行器的热走廊物理模型和求解方法对于设计飞行器防热结构、确定飞行轨道和优化气动外形等均有重要的工程应用价值,本文对X43高超声速飞行器的飞行热走廊的物理含义进行了分析,初步建立了飞行热走廊的物理模型,给出了该物理模型下飞行热走廊的控制方程和求解方法,通过对X43高超声速飞行器典型位置的飞行热走廊的计算,研究了高超声速飞行器的热走廊规律和特征,研究了防热材料的性能对飞行走廊的限制,明确了防热材料的关键防热参数,通过研究发现: (1)防热材料的发射系数越大,其对应的热走廊越宽阔,飞行轨道的选择余地也越大; (2)不同位置、不同流态对应的热走廊边界不同,推迟转捩发生可以增加热走廊区域,有利于防热.     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

内嵌定向高导热层疏导式结构热防护机理分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 提出内嵌定向高导热层的疏导式热防护系统. 运用数值方法分析了特定条件下内嵌定向高导热层的疏导式系统的防热效果, 外壁面最高温度下降了9.1%, 内壁面最高温度下降了31.5%, 高温区和低温区都被封闭在外层区域, 内层温度更加均匀, 实现了热流由高温区向低温区的转移, 削弱了高温区的热载荷, 强化了整体结构的热防护能力. 研究表明, 随着气动热流密度比与辐射散热面积比的增大, 疏导结构的冷却效果增强. 本文还对疏导防热系统的结构参数和材料参数对冷却效果的影响进行了分析, 为结构的设计和材料的选取提供一定的依据.     

旋成体表面防热的发汗冷却控制及其数值模拟

研究高超声速旋成体表面防热的发汗冷却控制系统,除去得到与平面情形相当的临界发汗通量之外,还得出另一个较小的第二临界发汗通量.当发汗通量介于这两个临界发汗通量之间时,表面虽将出现烧蚀,但烧蚀会自动停止,留有剩余厚度.还进行了数值模拟,给出各种特性曲线;详细讨论了对热层表面烧蚀控制的三种方式:表面温度的控制、表面烧蚀量的控制和表面烧蚀开始时间的控制,给出控制变量选取的准则.     

放电等离子烧结制备ZrB2-SiC超高温陶瓷的力学性能及氧化行为

在服役环境中,超高声速飞行器表面与空气剧烈摩擦导致温度极高。超高温陶瓷相较于一般陶瓷而言具有高熔点和良好的抗氧化烧蚀性能,是目前极具前景的热防护材料之一。采用放电等离子两步烧结工艺将ZrB2纳米粉末和SiC粉末在1700℃下制备超高温陶瓷材料ZrB2-20%SiC,通过纳米压痕微观实验、三点弯实验研究其力学性能及其在高温环境下的氧化行为,着重分析1000、1200、1400和1600℃4种不同氧化温度下ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的氧化表面、氧化截面和氧化层厚度。结果表明:ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的硬度为18 GPa,弹性模量为541 GPa,断裂韧性为5.7 MPa·m1/2;当氧化温度为1600℃时,超高温陶瓷内部的SiC由被动氧化转变为主动氧化,并且随着氧化温度升高,超高温陶瓷氧化层厚度与氧化温度呈正相关。     

Dynamics of the spallative ablation of a GaAs surface irradiated by femtosecond laser pulses

The spallation of a nanometer-thick melt layer on a GaAs surface during its ablation by femtosecond laser pulses occurs with subnanosecond delays and lift-off velocities that depend on the laser fluence after its complete thermal (hydrodynamic) expansion/acoustic relaxation. The position of the spall interface in the melt is determined by the depth of the formation of a two-dimensional subsurface layer of nanobubbles (nanofoam), whereas the strongly heated surface layer of the melt above the nanofoam is partially removed in the form of a vapor-drop mixture. At the thermal expansion stage, acoustic reverberations are observed in the melt layer and characterize both the dynamics of an increase in its thickness and the shift of the cavitation region (nanofoam) inside the melt. Moreover, these reverberations can additionally stimulate spallation, promoting cavitation in the completely unloaded melt in the case of passage of a weak rarefaction wave.     

Heat capacity anomaly in UO2 in the vicinity of 1300 K: an improved description based on high resolution X-ray and neutron powder diffraction studies

X-ray and neutron powder diffraction studies of UO₂ were performed under controlled oxygen partial pressure between room temperature and 1673 K. More than 40 neutron diffraction patterns were recorded. The thermal expansion coefficient of UO₂ and the temperature dependence of Debye-Waller factors for oxygen and uranium atoms were determined. The dependence of Debye-Waller factors as a function of temperature is linear and the thermal expansion coefficient follows the classical Debye regime within the temperature range 300-1000 K. Above 1200 K, a departure from this quasi-harmonic behavior is clearly observed. Both an abnormal increase of the thermal expansion and of the oxygen sublattice disorder are evidenced. The departure of the lattice parameter from a linear thermal variation is found to be thermally activated with an effective activation energy close to 1 eV, very similar to the activation energy already found for the electrical conductivity. This new result suggests that polarons may affect the mean lattice parameter. A new thermodynamic model is then proposed to explain the heat capacity thermal variation by only three contributions: harmonic phonons, thermal expansion and polarons.     

Radiative intensity solution and thermal emission analysis of a semitransparent medium layer with a sinusoidal refractive index

The radiative intensity in a sinusoidal refractive index semitransparent medium layer is solved by the curved ray-tracing method in combination with the pseudo-source adding method. One boundary of the medium layer is an opaque diffuse substrate wall. The other boundary is a semitransparent specular or diffuse surface, from which the medium thermal emission emerges. With considering a linear temperature distribution, the radiative intensity formulae are, respectively, deduced under the two boundary conditions. On the basis of the radiative intensity solutions, the directional and hemispherical emission of the medium layer with a specular surface as well as the hemispherical emission of that with a diffuse surface are calculated. The influences of the optical thickness, sinusoidal refractive index distribution and linear temperature distribution on the thermal emission are investigated. The results show that the effects of refractive index and temperature distribution are significant and are different under the two reflecting modes of the surface.     

基于拓展分离变量法的层合材料瞬态传热分析

层合材料各层热物理参数不同,难以用常规的分离变量法求解.针对此问题对常规分离变量法进行了拓展,将层合材料受热时的温度场在时间域上分成微小时间段,在每个微小时间段内层合材料交界处的温度可认为随时间正比变化,并假设比例系数,此时在微小时间段内对各层分别利用分离变量法单独求得解析解,根据交界处温度相等能量连续的关系可求出比例系数,进而求出该微小时间段内的温度场,通过循环求解可得整个时间段内的温度场.之后,利用拓展的分离变量法对常用层合隔热材料瞬态传热进行了分析,通过与有限元方法计算的结果比较,验证了本文方法的正确性,分析了隔热材料类型、厚度,材料表面对流换热系数,空气温度等参数对隔热效果的影响.拓展分离变量法利用解析的方式求解了层合材料瞬态传热问题,物理意义比常规的数值方法明确,计算效率也较高.