[發明專利]一種適用于受多維變量影響的防隔熱分析方法

有效

• 申請號: 202011457986.7
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112560309B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 董永朋;辛健強;徐騰飛;劉久周;屈強;王錦峰;王彥靜;李洋;尹琰鑫;王潤;許小靜;李秀濤;王露萌
• 申請（專利權）人: 中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

本發明提供了一種適用于受多維變量影響的防隔熱分析方法，包括以下步驟：基于防隔熱方案的幾何模型，建立三維瞬態熱分析有限元模型；將多孔防隔熱材料的熱物性參數輸入到三維瞬態熱分析有限元模型中；將初始溫度、內壁輻射邊界條件施加到三維瞬態熱分析有限元模型上；基于初始氣動熱環境條件，通過冷熱壁熱流轉換，得到熱壁熱流密度，將不同時刻的熱壁熱流密度施加在三維瞬態熱分析有限元模型上；根據不同時刻的溫度分布和熱環境中的壁面壓強數據，調用插值后該溫度和壁面壓強下的熱導率值；通過三維瞬態熱分析有限元傳熱求解，最終獲得多孔防隔熱材料沿整個時間歷程的溫度場分布，并提取內外表面溫度隨時間的變化歷程。

技術領域

本發明屬于多孔材料熱防護的防隔熱分析技術領域，特別涉及一種適用于受多維變量影響的防隔熱分析方法。

背景技術

高超聲速飛行器的熱環境具有“高熱流、高焓值、長時間和總熱載大”以及隨飛行高度變化明顯等特點。熱防護系統覆蓋整個飛行器的外表面，需要具備兩項基本功能：一方面是防熱，飛行器的外表面在能夠抵抗高溫氣流侵襲的同時，具有非燒蝕和重復使用性；另一方面是隔熱，較多減少熱量進入冷結構，保障飛行器的各個部位能夠在適宜的溫度條件下工作。由于飛行器內外溫差達到上千度以上，因此需要選取防隔熱性能優異的熱防護材料。同時，為了滿足高超聲速飛行器熱防護系統的輕質化設計要求，并兼顧目前國內材料的水平，在耐高溫的迎風面區域通常采用密度小、孔隙率高的多孔防隔熱材料。

多孔防隔熱材料的顯著特點是內部孔隙率大，往往達到80％以上。以往的材料大多是熱導率只隨溫度一維變量變化，而這類材料的熱導率既隨溫度變化又隨氣壓變化，屬于受多維變量影響的材料體系，這也為防隔熱分析的實現帶來難題。多孔材料防隔熱分析的正確性和準確性，往往是檢驗設計方案可靠性的重要保證。因此，需要建立一套適用于受多維變量影響的防隔熱分析方法。

發明內容

基于高超聲速飛行器熱環境高且隨時間變化大的特點，在迎風面區域采用多孔防隔熱材料，此類材料的防隔熱分析不同于一般的防隔熱材料，在其防隔熱分析時，既要考慮材料物性隨溫度的變化又要考慮隨氣壓的變化。本發明針對多孔防隔熱材料的特點，建立了一套適合的防隔熱分析方法和流程，為此類材料的防隔熱分析提供參考。

本發明提供的技術方案如下：

一種適用于受多維變量影響的防隔熱分析方法，包括以下步驟：

步驟(1)，基于防隔熱方案的幾何模型，建立三維瞬態熱分析有限元模型；

步驟(2)，將多孔防隔熱材料的熱物性參數輸入到三維瞬態熱分析有限元模型中，多孔材料熱物性參數包括密度、比熱容、輻射系數和熱導率，其中，覆蓋整個分析溫度和壁面壓強下的熱導率值利用典型熱導率數據點通過反距離加權法插值得到；

步驟(3)，將初始溫度、內壁輻射邊界條件施加到三維瞬態熱分析有限元模型上，內壁輻射邊界條件包括內壁輻射中輻射系數和環境溫度；

步驟(4)，基于初始氣動熱環境條件，通過采用式(2)的冷熱壁熱流轉換，得到熱壁熱流密度q_n，將不同時刻的熱壁熱流密度q_n施加在三維瞬態熱分析有限元模型上；

其中，q_n為熱壁熱流密度；q_c為冷壁熱流密度；h_w為氣體壁焓；h_r為氣體恢復焓；σ為玻爾茲曼常數；ε為結構表面輻射系數；θ_w為表面壁溫。式(2)中q_c、h_r為給定的輸入；玻爾茲曼常數σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；ε為表面輻射系數。h_w通常采用式(3)計算得到：

其中，p_e為壁面壓強；