[发明专利]圆形多孔热防护材料的优化设计方法

说明书

本发明公开的圆形多孔热防护材料的优化设计方法，涉及抑制边界层内Mack第二模态不稳定波的圆形多孔热防护材料的优化设计方法，属于航空航天领域。本发明实现方法为：定义圆形微孔形状参数与背景空气介质参数。建立声场模型，并确定声场模型中的声压反射系数。所述声场模型包括入射波模型、反射波模型和孔内波模型。通过数值方法优化使0,0阶的声压反射系数|R₀₀|最小，确定圆形微孔几何参数，得到满足热防护的目的的多孔热防护材料。优化得到的满足热防护的目的的多孔热防护材料应用于热防护领域，使优化的圆形多孔热防护材料有效规避流动转捩区的热流峰值，使高超声速来流中的热载荷保持在层流区的热载荷转态，实现热防护的目的。

技术领域

本发明涉及一种新型的圆形多孔热防护材料的优化设计方法，尤其涉及抑制边界层内Mack第二模态不稳定波的圆形多孔热防护材料的优化设计方法，属于航空航天领域。

背景技术

随着的航空航天事业的蓬勃发展，其对高速飞行器热防护提出了越来越高的要求。热防护的主要技术思路之一是通过抑制边界层转捩来减少飞行器的热载荷，这是因为边界层流态对高超飞行器气动热环境的影响显著，湍流区气动加热远大于层流区，而热流峰值一般出现在流动转捩区，高超声速时可达层流热载荷的3倍，即对于热载荷有：层流区＜湍流区＜转捩区。因此，飞行器热防护对如何有效抑制转捩有着迫切的需求，它也是目前国内外高超声速领域的研究热点。

对高超声速飞行器转捩抑制的研究，主要集中在如何更为有效地抑制边界层内Mack第二模态的发展。微型多孔覆盖层是在壁面加工一系列远小于扰动波长的缝/孔，在不影响主流的前提下，通过孔内粘性来耗散吸收扰动波的能量，从而达到抑制Mack第二模态发展的目的。这项技术已经在高超风洞实验中证实了能够显著延迟转捩，并作为技术储备授权于美国Boeing公司。对多孔覆盖层的应用，以及更进一步的参数优化设计，首先需要完成多孔材料的微结构-声场-流场耦合理论模型的研究，取得其在预设的来流条件下最小的吸声系数，以抑制Mack第二模态的发展，并获得良好的热防护效果。

2001年Fedorov等人提出了细长孔的声学特性，给出单孔对流场和声场的作用模型：v′＝Ap′。其中v′为壁面法向脉动速度，p′为壁面声场压力，A为导纳。2005年Kozlov等人给出了不同截面形状的微孔导纳表达式。需要指出的是，上述理论模型都基于单孔声学特性推导，并未计及开孔处实体壁面引起的高阶模态散射，也未计及孔与孔之间的干扰，从而降低了模型的预测精度。

发明内容

本发明公开的圆形多孔热防护材料的优化设计方法要解决的技术问题是：通过所述圆形多孔热防护材料的优化设计方法对圆形多孔热防护材料进行优化设计，进而有效抑制圆形多孔热防护材料表面边界层转捩的发生，使设计的圆形多孔热防护材料有效规避流动转捩区的热流峰值，使高超声速时的热载荷保持在层流区的热载荷转态，通过圆形多孔热防护材料实现热防护的目的。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的圆形多孔热防护材料的优化设计方法，定义圆形微孔形状参数与背景空气介质参数。建立声场模型，并确定声场模型中的声压反射系数。所述声场模型包括入射波模型、反射波模型和孔内波模型。通过数值方法优化使0,0阶的声压反射系数|R₀₀|最小，确定圆形微孔几何参数，得到满足热防护的目的的多孔热防护材料。优化得到的满足热防护的目的的多孔热防护材料应用于热防护领域，使优化的圆形多孔热防护材料有效规避流动转捩区的热流峰值，使高超声速来流中的热载荷保持在层流区的热载荷转态，最终通过圆形多孔热防护材料实现热防护的目的，解决热防护领域相关工程问题。

本发明公开的圆形多孔热防护材料的优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一：定义圆形微孔形状参数与背景空气介质参数。