分形理论在碳化材料三维烧蚀热防护计算中的应用

杨伟斌， 朱庆勇

(中山大学航空航天学院,广东深圳 518107)

引 言

在航空航天领域,烧蚀是高超声速飞行器最重要的热防护形式.当烧蚀材料受热时,材料发生热解,释放出热解气体.烧蚀过程中,热解气体进入边界层,降低碳化层热流,起到了热阻塞的作用;同时热解气体流经碳化层引起温度的降低,起到冷却剂的作用.在这类热防护系统设计过程中,温度场的预测格外重要.因温度场预测不准而不得不采用过大的防热冗余,将严重影响飞行器性能;而不足的防热设计将有可能导致飞行器损毁.

烧蚀材料通常用作热防护材料,可以保护航天器免受大气摩擦产生的大量热量[1].针对材料的烧蚀机理以及高超声速飞行器的烧蚀流场特性,国内外展开了广泛的研究[2-3].Gokcen等用一维模型计算了碳化物在烧蚀过程中的内部热响应[4].李鸿权等对热解气在碳化层内流动进行了研究，发现热解气对热防护结构的温度分布有很大的影响[5].刘骁等研究了碳化烧蚀材料的三维温度场[6].多孔材料碳化过程中热解气体产生的机理已被许多研究者广泛研究[7-8].用质量守恒、动量守恒和能量守恒方程描述物质守恒,可以分析热解气体在模型中的压力分布和温度分布,气体在多孔介质中的流动遵循Darcy定律,朱庆勇等通过从Darcy定律导出的数学模型来探讨流体在多孔介质中的扩散,建立了毛细管内流体以质量和能量平衡形式扩散的控制方程[9-10].

考虑到热解……