[发明专利]复杂高超声速飞行器烧蚀效应快速计算方法

摘要

本发明公开了一种复杂高超声速飞行器烧蚀效应快速计算方法，属飞行器气动设计领域。该方法采用了基于碳基材料的烧蚀模型和基于温度分区的烧蚀效应计算方法，结合普朗特理论的无粘外流解与边界层理论，发展了一种碳基材料烧蚀效应快速数值计算技术，给出了复杂外形高超声速飞行器热防护系统表面烧蚀的热流密度分布，烧蚀率以及热防护结构温度分布的时变特性。本发明同时增加了高超声速飞行器在高速飞行弹道过程中，热防护系统表面发生烧蚀情况的模拟能力。该方法计算效率高，鲁棒性好，结果准确，填补了国内在高超声速飞行器发生烧蚀情况下，高效、快速、准确的给出数值模拟结果方面的空白，为高超声速飞行器初期设计阶段提供有效的技术支持。

主权项

1.一种复杂高超声速飞行器烧蚀效应快速计算方法，其特征在于：包括如下步骤步骤1、高超声速飞行器气动加热；步骤2、材料的烧蚀模型；步骤3、烧蚀效应快速计算；步骤4、利用动态插值技术，对弹道状态进行准动态模拟；步骤1具体包括：步骤1‑1、无粘外流，采用欧拉方程作为控制方程求解无粘流动，取物面参数近似作为边界层的外缘参数，其中，所需要的边界层外缘参数有：网格信息、速度分量、马赫数、静压、密度、静温以及总能；步骤1‑2、高速边界层传热，计算表面热流密度需分为两个部分：驻点区和非驻点区，在驻点区，在任何情况下，驻点的流动都存在精确相似解，采用Fay‑Riddell方法，驻点热流密度计算公式表示如下：式中，Pr＝0.71，Le＝1.0；式中ρ_w为物面密度，μ_w为物面粘性系数,h_w为物面焓值，ρ_s为驻点处密度，μ_s为驻点处粘性系数，h_D为平均空气电离焓；步骤1‑3、气动加热流固耦合计算，对于结构传热，根据热防护结构的毕奥数Bi大小，防热层可以分为热薄壁和热厚壁两种类型；对于热薄壁，采用一维热传导方程，计算公式如下：初始条件：T_w|_t＝0＝T₀式中，ρ_δ为材料密度；c_δ为材料比热容；δ为材料厚度；α为传热系数；ε为材料辐射系数；对上式构建差分方程进行求解，并使用代替如下：对于热厚壁，在计算中，由内向外热厚壁分为j层，简化后的热传导方程为：(1)表层：(2)最内层：(3)中间层：初始条件：T_j|_t＝0＝T₁|_t＝0＝T_n|_t＝0＝T₀其中下标m为材料类型，n为第n层，λ_m为热传导系数；同样构建差分方程，并做近似处理的近似代替，为的近似代替，如下：(1)表层：(2)最内层：(3)中间层：在t_n时间步的求解中，先以上一时间步t_n‑1的壁面温度计算结构作为本时间步的壁面热边界条件，进行边界层的气动加热计算，得到t_n时间步的热流密度接着，以该热流密度作为热边界条件，进行结构传热的计算，得到t_n时间步的壁面温度然后又作为下一时间步t_n+1流场计算的物面热边界条件；步骤2具体包括：碳材料在较低温度下首先发生氧化，随着温度升高，氧化急剧增加，进入氧化扩散控制区，氧化率受边界层内氧气的输运快慢程度的控制，在更高温度下，碳‑氮反应和碳的升华反应出现，引入质量烧蚀率和B无因此质量烧蚀率系数，下列计算公式中，C代表组元浓度，其下标表示组元的成分，同时下标中e与w分别表示边界层外缘条件和壁面条件，MO表示氧原子的分子量，T_w为表面温度，对于层流，对于湍流，q_or为无烧蚀情况下的热流，h_r为总焓，氧化受速率控制的过程T_w＜1700K，忽略该温度范围内的碳氮反应以及碳的升华反应，按照下式计算：其中，为氧化速率系数，为当量扩散系数，α_c(0)＝ψq_or/h_r，氧化受氧气运输快慢控制1700K≤T_w＜3300K，忽略该温度范围被的碳氮反应以及碳的升华反应，按照下式计算：在升华过程中3300K≤T_w，可按照下式计算：根据能量守恒原则可以得到：式中ΔH_CO表示一氧化碳的生成热，h表示空气焓，下标r表示总焓，在升华烧蚀阶段，空气温度较高，碳的氧化反应、氮化反应以及升华反应都已经出现，同样根据能量守恒原则得到：其中，ΔH表示反应热，表示平均升华热，下标V表示碳蒸汽；步骤3具体包括：在步骤2中重新引入q_ab表示考虑烧蚀效应的热流密度，在获得了q_ab之后，将其作为第二类边界条件带入结构传热计算当中对于热薄壁，可以改写为：对于热厚壁，可以改写为：表层：式中，对于氧化烧蚀：对于升华烧蚀：