基于工程算法的材料燒蝕數(shù)值仿真.pdf

1、飛行器在以高超聲速再入大氣層時(shí)，其表面溫度非常高，飛行器承受?chē)?yán)重的氣動(dòng)加熱和機(jī)械剝蝕，若不嚴(yán)格的設(shè)計(jì)飛行器的熱防護(hù)層，會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)加熱造成飛行器表面溫度過(guò)高損毀飛行器或是造成內(nèi)部溫度過(guò)高造成儀器不能正常工作。因此準(zhǔn)確的掌握燒蝕材料的燒蝕特性對(duì)飛行器的熱防護(hù)層設(shè)計(jì)具有重大意義，既防止了由于設(shè)計(jì)不足而造成的飛行器可靠性降低又解決了設(shè)計(jì)過(guò)度而造成飛行器負(fù)載增大降低了飛行器的運(yùn)載能力同時(shí)增加成本。本文研究了不同燒蝕材料的燒蝕原理，推導(dǎo)出材料燒蝕的

2、控制方程，建立了基于工程算法的計(jì)算物理模型，利用著名的燒蝕仿真軟件Amaryllis對(duì)石墨材料、碳化材料的燒蝕進(jìn)行了數(shù)值仿真，并分析了不同材料屬性對(duì)燒蝕特性的影響大小，為高超聲速飛行器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。不僅如此，該工程算法有效的減少了設(shè)計(jì)周期，得以應(yīng)對(duì)日益商業(yè)化的航天事業(yè)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　總結(jié)了國(guó)內(nèi)外各類(lèi)熱防護(hù)材料的發(fā)展進(jìn)程及研究現(xiàn)狀，提出了他們研究的優(yōu)勢(shì)和缺陷。分析了各類(lèi)燒蝕材料在燒蝕過(guò)程中的放熱機(jī)理以及它們的

3、燒蝕物理模型。本文采用簡(jiǎn)單而又精確的工程計(jì)算方法，推導(dǎo)出了材料燒蝕過(guò)程中控制體的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，分析了燒蝕材料在化學(xué)燒蝕、機(jī)械剝蝕以及相變燒蝕的不同計(jì)算方法。
　　建立了熱防護(hù)層的簡(jiǎn)化物理模型，采用ALE網(wǎng)格劃分方法，并利用燒蝕領(lǐng)域中的權(quán)威軟件SAMCEF Amaryllis對(duì)燒蝕材料進(jìn)行模擬仿真。求解出了燒蝕材料的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、燒蝕后退的位移場(chǎng)以及材料密度的變化。改變燒蝕材料（如碳化材料、石墨）并將求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析