富氧環(huán)境下C-SiC復(fù)合材料的非穩(wěn)態(tài)燒蝕研究.pdf

1、富氧環(huán)境下的燒蝕問題是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵的研究課題，耐燒蝕性能是衡量和評(píng)價(jià)熱防護(hù)材料的重要指標(biāo)，是設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件的使用效能和工作壽命。C/SiC復(fù)合材料作為一種新型戰(zhàn)略性材料，具有耐高溫、低密度、抗燒蝕、高比模、抗氧化、高比強(qiáng)、脆性小和可靠性高等優(yōu)異性能，是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理想的熱結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)材料，但工程上仍缺乏較完善的燒蝕模型和計(jì)算方法。本文以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的富氧工作條件為背景，開展了燒蝕研究

2、。
　　研究表明，燃?xì)鈱?duì)材料的燒蝕可分為熱化學(xué)燒蝕和機(jī)械剝蝕兩部分，前者指材料表面在高溫高壓氣流環(huán)境下發(fā)生的氧化和分解反應(yīng)，后者指材料表面纖維在高速氣流的壓力和剪切力作用下造成的斷裂，顆粒狀剝落，或因熱應(yīng)力破壞造成的機(jī)械失效。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，燒蝕材料處在高溫、高壓、高熱流密度、高氧化氣體濃度及高馬赫數(shù)的環(huán)境中。在這樣的惡劣環(huán)境下，不僅要考慮熱化學(xué)燒蝕，同時(shí)，也應(yīng)考慮氣流對(duì)材料的沖刷和機(jī)械剝蝕。
　　本文以C/SiC

3、材料的非穩(wěn)態(tài)燒蝕為研究對(duì)象，針對(duì)不同溫度下材料的氧化機(jī)制的差異性分別建立了不同的氧化模型。綜合考慮了溫度、壓力、氧化性組分O2和H2O濃度的影響，建立了非穩(wěn)態(tài)條件下C/SiC材料的熱化學(xué)燒蝕模型。同時(shí)，通過吸收前人的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和成果，建立了半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的機(jī)械剝蝕模型，模型中充分考慮了沖蝕速度、溫度和剪切應(yīng)力等因素對(duì)機(jī)械剝蝕的影響。這樣，建立了包含熱化學(xué)燒蝕和機(jī)械剝蝕的廣義燒蝕模型。將燒蝕模型編制成UDF程序與FLUENT求解器嵌合，實(shí)現(xiàn)了流

4、場(chǎng)與燒蝕程序的瞬態(tài)耦合，使得非穩(wěn)態(tài)燒蝕計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)。
　　依托等離子體風(fēng)洞加熱(濕)空氣條件下C/SiC平板燒蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)試片進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值模擬和燒蝕計(jì)算。從試片燒蝕厚度趨勢(shì)來看，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)在一定程度上吻合，嚴(yán)重?zé)g區(qū)都發(fā)生在試片偏上游位置，但由于受材料變形和流場(chǎng)未穩(wěn)定因素的影響，試驗(yàn)試片結(jié)果存在一些誤差。試片1燒蝕考核60s，最大實(shí)際燒蝕厚度7.28mm，而計(jì)算結(jié)果所得最大燒蝕厚度為7.11mm，絕對(duì)誤差-0.17mm，相

5、對(duì)誤差-2.3％；試片2燒蝕50s累計(jì)最大燒蝕量2.01mm，計(jì)算值高于試驗(yàn)值0.31mm，相對(duì)誤差15.4%。綜上所述，誤差保持在較小范圍，證明本文燒蝕模型和計(jì)算方法是有效、可行的，在一定程度上能夠預(yù)測(cè)C/SiC復(fù)合材料的燒蝕規(guī)律，為C/SiC復(fù)合材料在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燒蝕計(jì)算及熱防護(hù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　對(duì)影響燒蝕的相關(guān)因素進(jìn)行分析表明，材料的燒蝕總體上隨溫度、壓力、氧化性組分濃度的提高或其他氧化性組分的加入而加劇。無論是熱

6、化學(xué)燒蝕率還是機(jī)械剝蝕率都與燒蝕表面溫度有極大的關(guān)系，材料表面的燒蝕呈現(xiàn)隨溫度提高而加劇的變化趨勢(shì)；計(jì)算表明，熱化學(xué)燒蝕和機(jī)械剝蝕的主燒蝕區(qū)皆在試片上游位置，與高溫區(qū)處在同一位置，這說明溫度對(duì)燒蝕的影響是巨大的。而且熱化學(xué)燒蝕率與機(jī)械剝蝕率大小處在同一數(shù)量級(jí)上，在本文工況下，熱化學(xué)燒蝕起主導(dǎo)作用。
　　最后，本文預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的燒蝕狀況，計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)：噴管主燒蝕區(qū)集中在噴管喉部，其中熱化學(xué)燒蝕在收斂段較明顯，而機(jī)械剝蝕在喉部尤為