[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

摘要

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。

主权项

1.一种气动热与材料催化特性耦合效应的地面预示方法，其特征在于，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，得到飞行状态下不同材料表面催化特性条件下的表面热流；对所述得到的飞行状态下不同材料表面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材料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；其中，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，得到飞行状态下不同材料表面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：其中，q₀表示不同材料表面催化特性条件下的材料表面热流，q表示平动热流，q_v表示振动热流，k表示平动热传导系数，T表示平动温度，n表示材料表面法向坐标，k_V表示振动热传导系数，T_V表示振动温度，N_s表示组分总数，下标i表示第i种组分的参数，ρ、M、h、D和c分别表示空气密度、组分摩尔质量、焓、扩散系数和质量分数，E_V表示分子组分的总振动能量；其中，材料表面催化特性条件如下：其中，为材料表面复合速率，为气体常数，γ为材料表面催化复合系数；将所述材料表面催化特性条件作为边界条件带入所述无量纲形式控制方程，得到飞行状态下不同材料表面催化特性条件下的表面热流；其中，所述对所述得到的飞行状态下不同材料表面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，包括：对所述飞行状态下不同材料表面催化特性条件下的表面热流进行拟合分析，得到如下函数关系：q_h/q_f＝φlog(γ)其中，q_h表示部分催化特性条件的材料表面热流，q_f表示完全催化特性条件的材料表面热流，φ＝q_f^A，A为常值系数；其中，所述无量纲形式控制方程如下：其中，u_jτ_xj＝uτ_xx+vτ_xy+wτ_xz其中，u、v、w为x、y、z三个坐标方向的速度分量，τ表示剪切应力，E表示分子组分的总平动能量，w_i表示化学非平衡源项，w_V表示振动非平衡能量源项，μ表示动力黏度，q表示平动热流，p表示压力，表示速度的散度；其中，所述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，包括：当所述典型部位为端头驻点时，采用可压缩性修正的F‑R公式计算方法对端头驻点材料表面热流进行计算，得到随弹道时间变化的端头驻点完全催化的材料表面热流；其中，所述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，包括：当所述典型部位为球头时，采用基于精确流线的“轴对称比拟”方法对球头材料表面热流进行计算，得到随弹道时间变化的球头完全催化的材料表面热流；其中，所述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，包括：将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真实材料表面材料催化复合系数，代入函数关系q_h/q_f＝φlog(γ)，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；其中，所述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，包括：将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作为三维传热控制方程组的边界条件，对所述三维传热控制方程组进行求解，得到所述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。