[发明专利]多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法

说明书

多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法，提出了一种基于烧蚀主控组分筛选的多组分防热材料在气动加热环境下的烧蚀特性数据库构建方法。该方法对任意两种或两种以上组分组成的材料、任意来流气体组分均具有较好的适用性，具有构建方法便捷、研发成本低的特点，可为材料烧蚀热响应预测及防热结构烧蚀性能评估提供直接数据支撑。

技术领域

本发明属于飞行器热防护设计领域，具体涉及一种针对多组分防热材料的热化学平衡烧蚀数据库构建方法。

背景技术

高超声速飞行器具有长时间飞行和升力体外形特征，面临复杂、多样化的气动加热环境，防热材料从单一组分为主向多组分体系发展，现有烧蚀计算方法难以满足飞行器对防热材料烧蚀热响应的准确预示与性能评估需求。多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库的构建，可实现不同气动加热环境下材料烧蚀特性的快速预测，对于材料防热性能评估及飞行器防热设计具有重要意义。

目前的热化学烧蚀预测方法，主要针对单一组分为主要成分的防热材料体系，针对材料组分在不同温度、压力环境下的主要反应机理，进行材料烧蚀速率的计算分析，并通过经验关系式或直接调用算法代码的方式与防热结构传热计算进行耦合。

对于多组分防热材料，各个组分在不同温度、压力及气体分压条件下的烧蚀过程存在相互影响，现有方法难以对其烧蚀行为进行理论预测。另外，由于多组分引起的化学反应及反应产物增加，提高了迭代求解计算量，在进行防热结构二维或三维烧蚀传热耦合分析时会引起数值计算量的大幅增加，而采用数据库的方式进行防热结构烧蚀传热的耦合计算，是提升计算效率和确保计算稳定性的重要途径之一。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库的构建方法，其目的是通过数据库的建立，为飞行器防热材料或防热层烧蚀传热性能的评估提供高效、稳定及准确的实施途径。

本发明的技术解决方案是：多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法，包括以下步骤：

(1)根据多组分防热材料及来流气体组分，确定材料表面可能出现的化学反应；

(2)根据方程组封闭原则，筛除被重复考虑的化学反应，建立剩余化学反应的热化学平衡方程；

(3)根据当前温度、压力条件，将与各组分相关的化学反应中，平衡常数最大的化学反应定义为该组分的主要化学反应；

(4)根据当前温度、压力条件、以及各组分的主要化学反应，确定多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分；

(5)保留烧蚀主控组分的热化学平衡方程，忽略次要组分的主要化学反应热化学平衡方程，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解当前温度、压力条件下的多组分防热材料无因次质量烧蚀速率、烧蚀气体产物分压及烧蚀气体产物的平均分子量；

(6)根据材料无因次质量烧蚀速率和烧蚀气体产物分压，确定当前温度、压力条件的烧蚀壁焓、烧蚀热；

(7)根据数据库构建对应的温度及压力区间要求，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)获得不同温度、压力条件下材料烧蚀特性参数：无因次质量烧蚀速率、平均分子量、烧蚀壁焓、烧蚀热，储存以上烧蚀特性参数，完成材料烧蚀数据库构建。

步骤(4)中的多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分确定步骤如下：

(4.1)分别针对每一个材料组分，忽略其余组分的主要化学反应，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解多组分防热材料在当前温度、压力条件下的无因次质量烧蚀速率；

(4.2)将热化学平衡烧蚀无因次质量烧蚀速率最小对应的组分确定为当前温度、压力条件下的烧蚀主控组分，其余组分确定为次要组分。

步骤(6)中的烧蚀壁焓确定步骤如下：