导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

童自翔，李明佳，李冬

1. 西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，西安 710049

2. 西安交通大学 能源与动力工程学院 热流科学与工程教育部重点实验室，西安 710049

复合材料及多孔材料在高温条件下的传热特性预测在实际工程中有重要应用价值。例如，航空航天热防护结构的精细化设计，需要准确预测纤维增强复合材料、气凝胶复合隔热材料等热防护材料的高温传热特性[1-3]。新型高温太阳能吸热器的性能预测，需要掌握陶瓷泡沫多孔材料在高热流密度条件下的导热、对流和辐射耦合传热规律[4]。

国家数值风洞工程项目针对中国CFD软件系统自主化的瓶颈，在转捩与湍流模型、多相多介质计算模型、多物理场耦合计算模型、高阶精度计算格式等多个方面获得了学术进展[5]。针对复合热防护材料高温传热特性的高效预测模型，作为数值风洞中壁面热效应预测的子模型之一，也是国家数值风洞工程的重要组成部分。

复合材料高温传热特性的研究存在两点困难。首先，由于材料使用于高温和高热流密度的条件，热辐射成为材料的主要传热途径之一。导热-辐射耦合的传热过程涉及到导热方程和辐射传输方程，其分析相对于纯导热过程更为复杂。其次，上述复合材料虽然在细观尺度具有周期性，但其单个周期内材料的几何结构复杂，组分物性变化剧烈。变化的物性会造成材料局部温度的非均匀分布，从而影响材料实际性能。例如，在复合材料的氧化和烧蚀过程中，材料局部的非均匀温度和物性会影响局部烧蚀速率，产生非均匀的烧蚀形貌[6]。……