本發(fā)明屬于飛行器熱防護(hù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)多組分防熱材料的熱化學(xué)平衡燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

高超聲速飛行器具有長(zhǎng)時(shí)間飛行和升力體外形特征，面臨復(fù)雜、多樣化的氣動(dòng)加熱環(huán)境，防熱材料從單一組分為主向多組分體系發(fā)展，現(xiàn)有燒蝕計(jì)算方法難以滿足飛行器對(duì)防熱材料燒蝕熱響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)示與性能評(píng)估需求。多組分防熱材料熱化學(xué)平衡燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)不同氣動(dòng)加熱環(huán)境下材料燒蝕特性的快速預(yù)測(cè)，對(duì)于材料防熱性能評(píng)估及飛行器防熱設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前的熱化學(xué)燒蝕預(yù)測(cè)方法，主要針對(duì)單一組分為主要成分的防熱材料體系，針對(duì)材料組分在不同溫度、壓力環(huán)境下的主要反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)行材料燒蝕速率的計(jì)算分析，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或直接調(diào)用算法代碼的方式與防熱結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算進(jìn)行耦合。

對(duì)于多組分防熱材料，各個(gè)組分在不同溫度、壓力及氣體分壓條件下的燒蝕過(guò)程存在相互影響，現(xiàn)有方法難以對(duì)其燒蝕行為進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。另外，由于多組分引起的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物增加，提高了迭代求解計(jì)算量，在進(jìn)行防熱結(jié)構(gòu)二維或三維燒蝕傳熱耦合分析時(shí)會(huì)引起數(shù)值計(jì)算量的大幅增加，而采用數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行防熱結(jié)構(gòu)燒蝕傳熱的耦合計(jì)算，是提升計(jì)算效率和確保計(jì)算穩(wěn)定性的重要途徑之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多組分防熱材料熱化學(xué)平衡燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法，其目的是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為飛行器防熱材料或防熱層燒蝕傳熱性能的評(píng)估提供高效、穩(wěn)定及準(zhǔn)確的實(shí)施途徑。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：多組分防熱材料熱化學(xué)平衡燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)多組分防熱材料及來(lái)流氣體組分，確定材料表面可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)；

(2)根據(jù)方程組封閉原則，篩除被重復(fù)考慮的化學(xué)反應(yīng)，建立剩余化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)平衡方程；

(3)根據(jù)當(dāng)前溫度、壓力條件，將與各組分相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)中，平衡常數(shù)最大的化學(xué)反應(yīng)定義為該組分的主要化學(xué)反應(yīng)；

(4)根據(jù)當(dāng)前溫度、壓力條件、以及各組分的主要化學(xué)反應(yīng)，確定多組分防熱材料的燒蝕主控組分和次要組分；

(5)保留燒蝕主控組分的熱化學(xué)平衡方程，忽略次要組分的主要化學(xué)反應(yīng)熱化學(xué)平衡方程，采用熱化學(xué)平衡燒蝕計(jì)算方法，求解當(dāng)前溫度、壓力條件下的多組分防熱材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率、燒蝕氣體產(chǎn)物分壓及燒蝕氣體產(chǎn)物的平均分子量；

(6)根據(jù)材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率和燒蝕氣體產(chǎn)物分壓，確定當(dāng)前溫度、壓力條件的燒蝕壁焓、燒蝕熱；

(7)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的溫度及壓力區(qū)間要求，重復(fù)步驟(3)、(4)、(5)、(6)獲得不同溫度、壓力條件下材料燒蝕特性參數(shù)：無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率、平均分子量、燒蝕壁焓、燒蝕熱，儲(chǔ)存以上燒蝕特性參數(shù)，完成材料燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。

步驟(4)中的多組分防熱材料的燒蝕主控組分和次要組分確定步驟如下：

(4.1)分別針對(duì)每一個(gè)材料組分，忽略其余組分的主要化學(xué)反應(yīng)，采用熱化學(xué)平衡燒蝕計(jì)算方法，求解多組分防熱材料在當(dāng)前溫度、壓力條件下的無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率；

(4.2)將熱化學(xué)平衡燒蝕無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率最小對(duì)應(yīng)的組分確定為當(dāng)前溫度、壓力條件下的燒蝕主控組分，其余組分確定為次要組分。

步驟(6)中的燒蝕壁焓確定步驟如下：

(6.1)采用材料表面燒蝕氣體產(chǎn)物分壓換算燒蝕氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

(6.2)采用燒蝕氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行焓值加權(quán)，得到材料表面的燒蝕壁焓。

步驟(6)中的燒蝕熱確定步驟如下：

第一步，根據(jù)材料表面燒蝕氣體產(chǎn)物分壓換算燒蝕氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

第二步，根據(jù)材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率和燒蝕氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確定材料和來(lái)流各個(gè)組分的無(wú)因次質(zhì)量消耗速率，以及燒蝕氣體產(chǎn)物組分的無(wú)因次質(zhì)量生成速率；

第三步，通過(guò)對(duì)第二步中所有組分的無(wú)因次質(zhì)量消耗/生成速率與其焓值的乘積求和，獲得多組分防熱材料的燒蝕熱。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：

(1)本發(fā)明將熱化學(xué)平衡燒蝕無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率最小對(duì)應(yīng)的組分確定為燒蝕主控組分，體現(xiàn)了多組分防熱材料燒蝕表面不同組分之間燒蝕性能差異對(duì)材料整體燒蝕特性的影響，解決了現(xiàn)有熱化學(xué)平衡燒蝕計(jì)算方法無(wú)法針對(duì)多組分材料的燒蝕特性進(jìn)行分析的難題。

(2)本發(fā)明通過(guò)單次計(jì)算即可完成一定壓力和溫度區(qū)間的多組分材料燒蝕特性數(shù)據(jù)覆蓋，避免了燒蝕傳熱耦合分析中對(duì)相同或類似壓力、溫度條件下的燒蝕迭代算法的重復(fù)調(diào)用；且本發(fā)明關(guān)于數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程，適用于任意組分及組分比例組成的多組分防熱材料，也適用于任意組分及組分比例組成的來(lái)流氣體和熱解引射氣體，具有很好的通用性。

(3)本發(fā)明采用材料表面燒蝕氣體產(chǎn)物分壓確定燒蝕壁焓的方法，相比目前采用平衡空氣焓值替代燒蝕壁焓的簡(jiǎn)化處理方法，更符合物理客觀事實(shí)；采用材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率、表面燒蝕氣體產(chǎn)物分壓確定燒蝕熱效應(yīng)的方法，相比目前根據(jù)各個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱效應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法更為便捷，也更容易實(shí)現(xiàn)編程計(jì)算。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建流程圖，本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程如下：

(1)根據(jù)多組分防熱材料及來(lái)流氣體組分，采用化學(xué)熱力學(xué)分析方法確定材料表面可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物。

根據(jù)防熱材料的組成成分和來(lái)流氣體組成成分，采用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的熱力學(xué)第二定律，針對(duì)防熱材料所處的溫度和氣體分壓條件，確定可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)類型。根據(jù)可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，列出所有可能生成的燒蝕氣體產(chǎn)物。

例如，碳/碳化硅材料屬于典型的多組分防熱材料，其包含兩種主要化學(xué)組分：碳和碳化硅。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，其在溫度2500K、壓力10kPa的空氣來(lái)流(氣體組成成分為氮?dú)夂脱鯕?條件下，可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)包括：

……

對(duì)應(yīng)的燒蝕氣體產(chǎn)物則包括：CO、CO₂、SiO、Si、Si₂C、SiC₂……等。

(2)根據(jù)方程組封閉原則，篩除被重復(fù)考慮的化學(xué)反應(yīng)，建立剩余化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)平衡方程。

假設(shè)材料組分為L(zhǎng)個(gè)，燒蝕表面可能出現(xiàn)的氣體組分為I個(gè)，涉及的化學(xué)元素為K個(gè)，則物理上能夠獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)數(shù)量為I+L-K個(gè)，其余化學(xué)反應(yīng)均可由這I+L-K個(gè)化學(xué)反應(yīng)通過(guò)合并的方式得到，根據(jù)該原則，結(jié)合對(duì)化學(xué)反應(yīng)獨(dú)立性的考慮，篩除被重復(fù)考慮的化學(xué)反應(yīng)。

例如，考慮以下三個(gè)反應(yīng)，其中任意一個(gè)反應(yīng)方程均可由另外兩個(gè)反應(yīng)方程合并得到，因此只有兩個(gè)反應(yīng)具有獨(dú)立性，需將其中任意一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行篩除。

各個(gè)反應(yīng)的熱化學(xué)平衡方程的一般形式如下：

其中，P_i為氣體分壓；v_i為反應(yīng)物和生成物的計(jì)量數(shù)；為化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)；P^θ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

(3)根據(jù)當(dāng)前溫度、壓力條件，將與各組分相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)中，平衡常數(shù)最大的化學(xué)反應(yīng)定義為該組分的主要化學(xué)反應(yīng)。

通過(guò)查詢熱力學(xué)手冊(cè)，計(jì)算出與各個(gè)組分相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)平衡常數(shù)，將化學(xué)平衡常數(shù)最大的化學(xué)反應(yīng)視為當(dāng)前組分在當(dāng)前溫度、壓力條件下的主要化學(xué)反應(yīng)。

(4)根據(jù)當(dāng)前溫度、壓力條件、以及各組分的主要化學(xué)反應(yīng)，確定多組分防熱材料的燒蝕主控組分和次要組分。

分別針對(duì)每一個(gè)材料組分，忽略其余組分的主要化學(xué)反應(yīng)(保留次要化學(xué)反應(yīng))，采用熱化學(xué)平衡燒蝕計(jì)算方法，求解多組分防熱材料在當(dāng)前溫度、壓力條件下的無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率；將熱化學(xué)平衡燒蝕無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率最小對(duì)應(yīng)的組分確定為當(dāng)前溫度、壓力條件下的燒蝕主控組分，其余組分確定為次要組分。

熱化學(xué)平衡燒蝕計(jì)算方法的需要求解的方程包括材料表面元素質(zhì)量守恒方程、氣體總壓方程以及熱化學(xué)平衡方程。

其中，材料表面元素質(zhì)量守恒方程的一般形式為：

氣體總壓方程的一般形式為：

其中，Y_ke，Y_kc，Y_kp分別為元素k在邊界層外緣、材料表面以及熱解氣體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M_k為元素k的摩爾質(zhì)量；為燒蝕氣體產(chǎn)物的平均分子量；c_ki為元素k在組分i中的原子數(shù)；B_p為無(wú)因次熱解氣體質(zhì)量流率；B_c為材料的無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率；P₀為材料表面氣體總壓；P_i為燒蝕表面的氣體分壓。

(5)求解當(dāng)前溫度、壓力條件下的多組分防熱材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率、燒蝕氣體產(chǎn)物分壓及燒蝕氣體產(chǎn)物的平均分子量。

保留燒蝕主控組分的熱化學(xué)平衡方程，忽略次要組分的主要化學(xué)反應(yīng)熱化學(xué)平衡方程，保留其余組分的次要化學(xué)反應(yīng)，采用熱化學(xué)平衡燒蝕計(jì)算方法，可以計(jì)算得到當(dāng)前溫度、壓力條件下的多組分防熱材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率、燒蝕氣體產(chǎn)物分壓及燒蝕氣體產(chǎn)物的平均分子量。

(6)根據(jù)材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率和燒蝕氣體產(chǎn)物分壓，確定當(dāng)前溫度、壓力條件的燒蝕壁焓、燒蝕熱。

通過(guò)查詢熱力學(xué)手冊(cè)得到氣體組分的標(biāo)準(zhǔn)生成焓作為其焓值，采用材料表面燒蝕氣體產(chǎn)物分壓和氣體分子量換算燒蝕氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用燒蝕氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)得到燒蝕壁焓。

其中，H_w為燒蝕壁焓；m_gi為燒蝕氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；H_i為燒蝕氣體組分的焓。

采用材料無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率換算材料和來(lái)流各個(gè)組分的無(wú)因次質(zhì)量消耗速率，以及燒蝕氣體產(chǎn)物的無(wú)因次質(zhì)量生成速率。

對(duì)于材料組分的無(wú)因次質(zhì)量消耗速率，其換算公式為:

B_m＝-B_cm_ci

對(duì)于來(lái)流組分的無(wú)因次質(zhì)量消耗速率和燒蝕氣體產(chǎn)物組分的無(wú)因次質(zhì)量生成速率，其換算公式為:

B_m＝(1+B_c+B_p)m_gi-m_fi-B_pm_pi

上述各式中，B_p為無(wú)因次熱解氣體質(zhì)量流率；B_c為材料的無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率；B_m為無(wú)因次質(zhì)量消耗/生成速率；m_gi為燒蝕氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m_ci為材料中各個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m_fi為來(lái)流各個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m_pi為熱解氣體中各個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

通過(guò)對(duì)所有組分的無(wú)因次質(zhì)量消耗率(值為0或負(fù))或無(wú)因次質(zhì)量生成率(值為0或正)與焓值的乘積求和，獲得材料的燒蝕熱。

其中，H_reac為燒蝕熱；H_m為組元的焓；B_m為無(wú)因次質(zhì)量消耗/生成速率；B_c為材料的無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率。

燒蝕熱值為正表示材料表面的燒蝕過(guò)程為吸熱過(guò)程、燒蝕熱值為負(fù)表示材料表面的燒蝕過(guò)程為放熱過(guò)程。

(7)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建需要的溫度及壓力區(qū)間，完成材料燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建需要的溫度及壓力區(qū)間，確定需要計(jì)算的溫度壓力計(jì)算點(diǎn)，通過(guò)編程方式實(shí)現(xiàn)步驟(3)(4)(5)(6)過(guò)程的自動(dòng)化求解，獲得不同溫度、壓力條件下材料燒蝕特性參數(shù)數(shù)據(jù)：無(wú)因次質(zhì)量燒蝕速率、平均分子量、燒蝕壁焓、燒蝕熱。將計(jì)算獲得的不同溫度及壓力條件下的以上數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，完成材料燒蝕數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。

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