[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

说明书

本发明涉及一种用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，本方法针对多层热防护结构，确定其初始参数，包括各层数、各层厚度、各层的热物性参数如密度、导热系数、比热容、吸热热源的方程、气隙厚度及热物性参数的变化关系式，建立多层热防护结构的微分方程组，给定热边界条件和层间连续条件，基于有限单元法划分单元，对微分方程组进行离散，计算热容矩阵、导热系数矩阵、热荷载矩阵，建立矩阵方程组；采用高斯‑赛德尔方法对矩阵方程组进行求解，获得多层热防护结构的节点温度和外壁面温度分布。本发明能够建立多层热防护结构传热计算模型，适用于不同复杂热环境下的多层热防护结构隔热性能评估。

技术领域

本发明属于发动机辅助测试领域，尤其涉及燃烧室多层热防护结构的传染计算方法。

背景技术

随着对航空发动机性能的要求不断提高，发动机燃烧室的燃气温度不断上升，对发动机金属外壁面高效热防护的需求也更加急迫，特别是在固体燃料冲压发动机中，热防护结构的隔热效果显得尤为重要。发动机燃烧室热防护可分为主动热防护与被动热防护，被动热防护是采用耐高温和耐烧蚀的热防护结构对发动机金属壳体进行有效的热保护，以防止发动机金属壳体在高温燃气作用下产生变形或降低可靠性。

被动热防护结构中经常采用具有耐高温、耐烧蚀的材料作为烧蚀层，例如碳/酚醛材料，然而由于其在高温作用下热解产生热解气体，其过程会吸收一部分热量，并且材料本身热物性改变的同时，热解气体的质量引射以及浸入到其他层都会对其他层的热物性参数产生影响；另外，由于金属结构和隔热固体材料之间的热膨胀系数不同，在一定高温下层间会产生气隙，起到一定的阻热作用，但是气隙的产生以及厚度的发展也是和时间和温度有关。以上因素对多层热防护结构隔热性能的准确计算带来了难度。现有的计算方法一般采用有限差分法进行一维瞬态导热的计算，在一些商业软件中也可以编辑随时间变化的额外热源，然而，同时考虑材料热物性参数随时间变化或随温度变化的影响、内热源随时间变化的影响、产生动态变化层间气隙的影响并且能快速做出准确预测的计算模型还比较少见。建立一个考虑复杂内热环境的多层热防护结构的传热计算方法对于准确预测出发动机金属外壁面温度变化以及设计多层热防护结构都具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够建立含有内热源的多层热防护结构传热计算模型，适用于不同复杂热环境下的多层热防护结构隔热性能评估的用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于评估复杂多层热防护结构隔热性能的计算方法，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：