《氣動熱與非燒蝕防熱材料耦合機制與建模研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由桂業偉擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：氣動熱與非燒蝕防熱材料耦合機制與建模研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：桂業偉
- 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題採用理論分析、數值計算和風洞實驗研究相結合的手段，對近空間飛行器的氣動環境與材料結構的耦合效應及模擬方法進行研究。主要研究內容包括：①高溫熱環境對材料表面演化特性的影響規律研究；②高溫熱環境條件下材料表面演化特性對氣動熱環境的影響規律研究；③高溫熱環境與材料演化特性的耦合作用機制及其預測方法研究。通過上述研究，探索氣動熱環境與表面高溫材料之間的複雜化學和熱力學耦合作用的表征、建模理論和方法，以準確預測飛行器氣動熱環境、提高熱防護系統設計效能，為臨近空間飛行器防熱結構的最佳化及新型高效防熱結構的研製提供理論依據和技術支撐。
結題摘要
比較系統的研究了各類因素對氣動加熱的影響，包括表面特性、物理現象、幾何特徵等方面。 在表面特性（如材料物性參數、催化、輻射、耦合效應等）對熱環境的影響方面。建立了非平衡氣動熱與防熱材料耦合計算模型，完善和發展了高超聲速飛行器熱化學非平衡流場計算方法和計算軟體。包括熱化學非平衡流場與防熱材料熱傳導溫度場的耦合計算模型、高溫空氣表面催化特性計算模型、考慮表面熱輻射效應的表面溫度計算模型和碳-碳防熱材料氧化和催化特性計算模型。 在物理現象（如化學反應、燒蝕氧化等）對熱環境的影響方面。（1）深入開展了碳/碳化矽複合材料氧化燒蝕過程的機理分析，完成了理論建模工作：完成了抗氧化膜的組分、相態及細觀結構的理論分析，建立了抗氧化膜數學物理模型；建立了氧在氧化膜中的擴散特性模型，建立了氧化膜的生成過程數學物理模型，建立了抗氧化膜的損失條件及損失過程的數理模型；完成了活性氧化和惰性氧化的反應機制以及燒蝕機理研究。（2）完成了Navier-Stokes 方程、傳統激波關係式、無滑移邊界條件在太空飛行器主要加熱區適用性的理論分析；開展了氣動熱與非燒蝕防熱材料相互作用快速預測方法的研究，重點分析了了壁溫和材料表面催化特性對熱環境的影響。 在幾何外形（如各類縫隙）對熱環境的影響方面。（1）針對實際飛行器中存在的前緣縫隙模型，建立了輻射/對流/熱傳導計算分析模型，在自研高超聲速流場計算軟體（OneFlow）和三維溫度場計算軟體（Temperature3D）的基礎上，考慮縫隙內壁面間的相互輻射情況，根據當前溫度分布重新計算獲得壁面的對流熱流和輻射熱流，開發了一套可用於對流/輻射/熱傳導相耦合的計算分析方法。（2）研究了特徵尺寸對高溫氣體非平衡效應影響，開展了熱化學非平衡效應、氣體輻射和表面計算模型對氣動熱環境影響計算分析。對於不同特徵尺寸或不同外形的高超聲速飛行器的高溫氣體效應，不能簡單的類比，要做具體的計算分析，高溫氣體效應的強弱不僅與飛行速度和飛行高度相關，還與飛行器的特徵尺寸相關。
