[发明专利]一种适用于受多维变量影响的防隔热分析方法

说明书

本发明提供了一种适用于受多维变量影响的防隔热分析方法，包括以下步骤：基于防隔热方案的几何模型，建立三维瞬态热分析有限元模型；将多孔防隔热材料的热物性参数输入到三维瞬态热分析有限元模型中；将初始温度、内壁辐射边界条件施加到三维瞬态热分析有限元模型上；基于初始气动热环境条件，通过冷热壁热流转换，得到热壁热流密度，将不同时刻的热壁热流密度施加在三维瞬态热分析有限元模型上；根据不同时刻的温度分布和热环境中的壁面压强数据，调用插值后该温度和壁面压强下的热导率值；通过三维瞬态热分析有限元传热求解，最终获得多孔防隔热材料沿整个时间历程的温度场分布，并提取内外表面温度随时间的变化历程。

技术领域

本发明属于多孔材料热防护的防隔热分析技术领域，特别涉及一种适用于受多维变量影响的防隔热分析方法。

背景技术

高超声速飞行器的热环境具有“高热流、高焓值、长时间和总热载大”以及随飞行高度变化明显等特点。热防护系统覆盖整个飞行器的外表面，需要具备两项基本功能：一方面是防热，飞行器的外表面在能够抵抗高温气流侵袭的同时，具有非烧蚀和重复使用性；另一方面是隔热，较多减少热量进入冷结构，保障飞行器的各个部位能够在适宜的温度条件下工作。由于飞行器内外温差达到上千度以上，因此需要选取防隔热性能优异的热防护材料。同时，为了满足高超声速飞行器热防护系统的轻质化设计要求，并兼顾目前国内材料的水平，在耐高温的迎风面区域通常采用密度小、孔隙率高的多孔防隔热材料。

多孔防隔热材料的显著特点是内部孔隙率大，往往达到80％以上。以往的材料大多是热导率只随温度一维变量变化，而这类材料的热导率既随温度变化又随气压变化，属于受多维变量影响的材料体系，这也为防隔热分析的实现带来难题。多孔材料防隔热分析的正确性和准确性，往往是检验设计方案可靠性的重要保证。因此，需要建立一套适用于受多维变量影响的防隔热分析方法。

发明内容

基于高超声速飞行器热环境高且随时间变化大的特点，在迎风面区域采用多孔防隔热材料，此类材料的防隔热分析不同于一般的防隔热材料，在其防隔热分析时，既要考虑材料物性随温度的变化又要考虑随气压的变化。本发明针对多孔防隔热材料的特点，建立了一套适合的防隔热分析方法和流程，为此类材料的防隔热分析提供参考。

本发明提供的技术方案如下：

一种适用于受多维变量影响的防隔热分析方法，包括以下步骤：

步骤(1)，基于防隔热方案的几何模型，建立三维瞬态热分析有限元模型；

步骤(2)，将多孔防隔热材料的热物性参数输入到三维瞬态热分析有限元模型中，多孔材料热物性参数包括密度、比热容、辐射系数和热导率，其中，覆盖整个分析温度和壁面压强下的热导率值利用典型热导率数据点通过反距离加权法插值得到；

步骤(3)，将初始温度、内壁辐射边界条件施加到三维瞬态热分析有限元模型上，内壁辐射边界条件包括内壁辐射中辐射系数和环境温度；

步骤(4)，基于初始气动热环境条件，通过采用式(2)的冷热壁热流转换，得到热壁热流密度q_n，将不同时刻的热壁热流密度q_n施加在三维瞬态热分析有限元模型上；

其中，q_n为热壁热流密度；q_c为冷壁热流密度；h_w为气体壁焓；h_r为气体恢复焓；σ为玻尔兹曼常数；ε为结构表面辐射系数；θ_w为表面壁温。式(2)中q_c、h_r为给定的输入；玻尔兹曼常数σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；ε为表面辐射系数。h_w通常采用式(3)计算得到：

其中，p_e为壁面压强；