飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)典型熱結(jié)構(gòu)熱分析邊界元算法研究.pdf

1、熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的設(shè)計(jì)是決定可重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)成敗的關(guān)鍵技術(shù)。本文以目前應(yīng)用非常廣泛的幾種TPS結(jié)構(gòu)為工程背景,研究一種能對(duì)其進(jìn)行有效輻射換熱分析的數(shù)值方法。由于特殊的工作環(huán)境,TPS的傳熱過(guò)程和機(jī)理比較復(fù)雜,特別是由于氣動(dòng)加熱的影響,使得TPS外表面的溫度非常高,這時(shí),輻射換熱及輻射與其它傳熱方式的相互耦合會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的傳熱分析產(chǎn)生很大影響。另外,瞬態(tài)非線性、非均質(zhì)材料的熱傳導(dǎo)也是TPS傳熱分析中不可避免要遇到的問(wèn)題。

2、　　 基于邊界元法(BEM)在處理輻射換熱方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn),本文深入研究瞬態(tài)非線性、非均質(zhì)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的邊界元計(jì)算方法。對(duì)于瞬態(tài)非線性和非均質(zhì)問(wèn)題,BEM最終形成的積分方程中仍含有域積分,傳統(tǒng)的BEM將計(jì)算域劃分成內(nèi)部體單元來(lái)計(jì)算這些域積分,這樣一來(lái)BEM只需要在邊界上劃分單元的優(yōu)勢(shì)就失去了。本文采用徑向積分法(RIM),將積分方程中的域積分完全轉(zhuǎn)化為邊界積分,從而形成不需要內(nèi)部網(wǎng)格的純邊界元算法。另外,還考慮了對(duì)流和熱輻射邊界條

3、件,并根據(jù)所述理論推導(dǎo)編制了通用程序RIBEM,通過(guò)多種算例與Fluent等軟件計(jì)算結(jié)果的比較,驗(yàn)證了本文所提算法的正確性。
　　 利用BEM求解參與性介質(zhì)輻射換熱問(wèn)題時(shí),所形成的邊界積分方程由于在面積分中還含有沿輻射射線方向的線積分,因此傳統(tǒng)的方法并沒(méi)有將域積分完全轉(zhuǎn)化到邊界上,本書利用徑向基函數(shù)展開(kāi)處理計(jì)算邊界積分方程中的線積分,從而形成不需要內(nèi)部體單元的熱輻射邊界元算法,不僅可以處理灰體介質(zhì)的輻射換熱問(wèn)題,還可以利用譜帶近

4、似的方法處理非灰體介質(zhì)的輻射換熱。本文還提出了一種求解輻射-導(dǎo)熱耦合換熱問(wèn)題的邊界單元法,該方法對(duì)于參與性介質(zhì)也只需在邊界上劃分單元,兩種傳熱方式通過(guò)輻射熱源耦合起來(lái)。對(duì)此,也編制了通用程序,并且通過(guò)對(duì)數(shù)值算例的分析,證明了本文算法的正確性。
　　 最后,本文采用所研制的程序,對(duì)功能梯度材料的導(dǎo)彈防熱層、纖維隔熱材料和蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值傳熱分析,得出了較好的計(jì)算結(jié)果,證明了本文所提出的邊界元算法是可行的,其對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器