[发明专利]一种气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法

说明书

本发明公开了一种气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法，包括：采用理论方法对不同材料表面催化特性条件下的材料表面热流进行分析；根据分析结果建立材料表面催化效应随材料表面催化复合系数变化的函数关系；基于飞行状态及气动外形对典型部位热环境进行工程评估，将典型部位热环境工程计算结果与材料表面催化效应随材料表面催化复合系数变化的函数关系相结合，实现飞行状态下飞行器表面热流响应历程的预示；采用传热学方法，实现飞行状态下飞行器内部温度响应历程的预示。通过本发明实现了对气动热与材料催化特性的耦合效应的准确描述，为气动热与材料催化特性耦合效应作用下的防隔热系统设计精细化设计提供了有力支撑。

技术领域

本发明属于飞行器测试技术领域，尤其涉及一种气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法。

背景技术

飞行器高速飞行时，会在头部周围形成一个强的弓形激波。由于粘性耗散效应和激波强烈压缩，巨大的动能损失中的一部分转变成为激波层内气体的内能。来流空气在穿过激波时被加热到几千度甚至上万度而形成高温气体层，气体分子的平动、转动和振动自由度受能量作用激发、解离甚至电离，这种在高温下产生的振动能激发、分子离解、原子复合、组元之间化学反应，以及电离等现象对流场参数的影响现象统称为高温真实气体效应。高温真实气体效应作用不仅仅对飞行器表面产生严重的气动加热，而且会与机体表面防热材料发生强烈的非线性耦合作用。离解原子在防热材料表面的再结合速率直接影响化学非平衡激波层对机体表面防热材料表面的化学加热。

传统的设计由于缺乏深入分析及相关数据，无法对气动热与材料催化特性的耦合效应进行准确的描述，导致热防护系统设计偏于保守，对热防护系统的最优化设计带来较大的困难。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法，旨在对气动热与材料催化特性的耦合效应进行准确描述，为气动热与材料催化特性耦合效应作用下的防隔热系统设计精细化设计提供了有力支撑。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法，包括：

对不同材料表面催化特性条件下的材料表面热流进行分析，得到飞行状态下材料表面不同催化特性条件下的表面热流；

对所述得到的飞行状态下材料表面不同催化特性条件下的表面热流进行拟合分析，得到材料表面催化效应随材料表面催化复合系数变化的函数关系；

采用工程算法对典型部位材料表面热流进行工程计算，得到随弹道时间变化的典型部位完全催化的材料表面热流；

根据所述随弹道时间变化的典型部位完全催化的材料表面热流和所述典型部位的实际材料表面材料催化复合系数，结合上述函数关系，得到飞行状态下典型部位部分催化的材料表面热流随弹道的变化历程；

采用传热学方法对所述得到的飞行状态下典型部位部分催化的材料表面热流随弹道的变化历程进行分析，得到飞行状态典型部位不同表面催化特性下的内部温度分布，以及，所述内部温度随弹道时间的变化历程。

在上述气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法中，所述对不同材料表面催化特性条件下的材料表面热流进行分析，得到飞行状态下材料表面不同催化特性条件下的表面热流，包括：

通过求解带组分源项的化学反应流动N-S方程对高温非平衡三维流场进行数值模拟，基于无量纲形式控制方程得到不同材料表面催化特性条件下的材料表面热流的通用表达式：