[發明專利]圓形多孔熱防護材料的優化設計方法

有效

• 申請號: 201910399995.6
• 申請日: 2019-05-14
• 公開（公告）號: CN110135062B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 趙瑞;張新昕;魏昊功;溫志涌
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法，涉及抑制邊界層內Mack第二模態不穩定波的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法，屬于航空航天領域。本發明實現方法為：定義圓形微孔形狀參數與背景空氣介質參數。建立聲場模型，并確定聲場模型中的聲壓反射系數。所述聲場模型包括入射波模型、反射波模型和孔內波模型。通過數值方法優化使0,0階的聲壓反射系數|R₀₀|最小，確定圓形微孔幾何參數，得到滿足熱防護的目的的多孔熱防護材料。優化得到的滿足熱防護的目的的多孔熱防護材料應用于熱防護領域，使優化的圓形多孔熱防護材料有效規避流動轉捩區的熱流峰值，使高超聲速來流中的熱載荷保持在層流區的熱載荷轉態，實現熱防護的目的。

技術領域

本發明涉及一種新型的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法，尤其涉及抑制邊界層內Mack第二模態不穩定波的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法，屬于航空航天領域。

背景技術

隨著的航空航天事業的蓬勃發展，其對高速飛行器熱防護提出了越來越高的要求。熱防護的主要技術思路之一是通過抑制邊界層轉捩來減少飛行器的熱載荷，這是因為邊界層流態對高超飛行器氣動熱環境的影響顯著，湍流區氣動加熱遠大于層流區，而熱流峰值一般出現在流動轉捩區，高超聲速時可達層流熱載荷的3倍，即對于熱載荷有：層流區＜湍流區＜轉捩區。因此，飛行器熱防護對如何有效抑制轉捩有著迫切的需求，它也是目前國內外高超聲速領域的研究熱點。

對高超聲速飛行器轉捩抑制的研究，主要集中在如何更為有效地抑制邊界層內Mack第二模態的發展。微型多孔覆蓋層是在壁面加工一系列遠小于擾動波長的縫/孔，在不影響主流的前提下，通過孔內粘性來耗散吸收擾動波的能量，從而達到抑制Mack第二模態發展的目的。這項技術已經在高超風洞實驗中證實了能夠顯著延遲轉捩，并作為技術儲備授權于美國Boeing公司。對多孔覆蓋層的應用，以及更進一步的參數優化設計，首先需要完成多孔材料的微結構-聲場-流場耦合理論模型的研究，取得其在預設的來流條件下最小的吸聲系數，以抑制Mack第二模態的發展，并獲得良好的熱防護效果。

2001年Fedorov等人提出了細長孔的聲學特性，給出單孔對流場和聲場的作用模型：v′＝Ap′。其中v′為壁面法向脈動速度，p′為壁面聲場壓力，A為導納。2005年Kozlov等人給出了不同截面形狀的微孔導納表達式。需要指出的是，上述理論模型都基于單孔聲學特性推導，并未計及開孔處實體壁面引起的高階模態散射，也未計及孔與孔之間的干擾，從而降低了模型的預測精度。

發明內容

本發明公開的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法要解決的技術問題是：通過所述圓形多孔熱防護材料的優化設計方法對圓形多孔熱防護材料進行優化設計，進而有效抑制圓形多孔熱防護材料表面邊界層轉捩的發生，使設計的圓形多孔熱防護材料有效規避流動轉捩區的熱流峰值，使高超聲速時的熱載荷保持在層流區的熱載荷轉態，通過圓形多孔熱防護材料實現熱防護的目的。

本發明目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法，定義圓形微孔形狀參數與背景空氣介質參數。建立聲場模型，并確定聲場模型中的聲壓反射系數。所述聲場模型包括入射波模型、反射波模型和孔內波模型。通過數值方法優化使0,0階的聲壓反射系數|R₀₀|最小，確定圓形微孔幾何參數，得到滿足熱防護的目的的多孔熱防護材料。優化得到的滿足熱防護的目的的多孔熱防護材料應用于熱防護領域，使優化的圓形多孔熱防護材料有效規避流動轉捩區的熱流峰值，使高超聲速來流中的熱載荷保持在層流區的熱載荷轉態，最終通過圓形多孔熱防護材料實現熱防護的目的，解決熱防護領域相關工程問題。

本發明公開的圓形多孔熱防護材料的優化設計方法，包括如下步驟：

步驟一：定義圓形微孔形狀參數與背景空氣介質參數。