[发明专利]用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法

权利要求书

1.一种用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立多层热防护结构的传热模型控制微分方程组：

根据所述的多层热防护结构初始参数，建立一维瞬态多层导热微分方程组：

第1层

第2层

……

第n层

其中：ρ_n、c_n、λ_n分别为第n层热防护结构材料的密度、比热、导热系数，T为温度，t为时间，x为厚度方向的坐标；

所述多层热防护结构的初始条件和两个边界条件表示为：

初始条件为t＝0T(x,0)＝T_f；

边界条件为x＝x₁：第一类或第二类或第三类热边界条件；

其中，T_wg是高温侧壁面温度，h是对流换热系数，T_wf是低温侧壁面温度，T_f是环境温度；

所述多层热防护结构的边界面连续条件为：

……

(2)采用有限单元法，对所述多层热防护结构的传热模型控制微分方程组进行离散：

将厚度为L的多层热防护结构划分为N个一维导热离散单元，N+1个节点，则一个所述的离散单元由2个节点组成，任意选取其中一个离散单元，其节点分别为i和j，离散单元长度为l，若节点上的温度分别为Ti和Tj，则距离节点i为x点上的温度T(x)，用形函数插值公式表示为：

T(x)＝N_iT_i+N_jT_j

其中，Ni和Nj为形函数，表示为：

(3)根据所述步骤(2)中所述的离散单元，得到每个离散单元的热传导矩阵和热容矩阵：

所述每个离散单元的热容矩阵[C]和热传导矩阵[K]均为2×2的矩阵，温度{T}和热荷载{P}均为向量矩阵，矩阵分别表示如下：

其中，为节点温度对时间的一阶导数矩阵；

(4)基于变分原理，针对所述N个一维导热离散单元的多层热防护结构区域进行计算，得到瞬态热传导有限元方程如下：

式中，[C]_(N+1)×(N+1)为由各离散单元矩阵叠加的热容矩阵，[K]_(N+1)×(N+1)为各离散单元矩阵的叠加的热传导矩阵，{K}_(N+1)×1为各离散单元矩阵的叠加的节点的温度列阵，{P}_(N+1)×1为各离散单元矩阵的叠加的温度荷载列阵，为各离散单元矩阵的叠加的节点温度对时间的一阶导数列阵；

(5)采用高斯-赛德尔方法对步骤(4)得到的瞬态热传导的有限元方程进行求解，获得多层热防护结构的节点温度变化和外壁面温度变化，对所述的多层热防护结构的隔热性能进行评估。

2.如权利要求1所述的用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于：

所述多层热防护结构中，包括至少一层会在高温作用下产生热解气体的热解层，且所述的热解层不设置在多层热防护结构的最内或最外层，所述的热解层对应的一维瞬态导热微分方程组为：

式中：为热解气体的吸热量，一般通过热解气体质量变化率和热解焓来计算，计算公式为：

所述的热解层对应的界面连续条件表示为：

其中，q(t)为热解气体逸出后在层间形成热阻塞的热量，Ψ为热阻塞系数。

3.如权利要求1所述的用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，其特征在于：

所述的多层热防护结构的传热模型控制微分方程组中，多层热防护材料的密度ρ、比热c、导热系数λ为温度函数，即ρ(T),c(t),λ(T)，然而，当多层热防护材料的表面温度在十秒内就变成1800K的高温时，所述的多层热防护材料的密度ρ、比热c、导热系数λ则为时间函数，即ρ(t),c(t),λ(t)。