高超聲速飛行器燒蝕防熱理論與應(yīng)用

目錄
叢書序
序
前言
第1章 概論 1
1.1 引言 1
1.2 高超聲速流動(dòng)和氣動(dòng)加熱概念 8
1.2.1 氣動(dòng)加熱與飛行速度的關(guān)系 9
1.2.2 飛行器表面輻射平衡溫度 13
1.3 高超聲速飛行器的熱防護(hù)概念 14
1.3.1 被動(dòng)防熱方案 15
1.3.2 半被動(dòng)防熱方案 16
1.3.3 主動(dòng)防熱方案 16
1.4 燒蝕基本概念 17
1.4.1 燒蝕的定義 17
1.4.2 有效燒蝕熱(焓) 17
1.4.3 燒蝕量的簡單估算 18
1.5 燒蝕材料及分類 21
1.5.1 燒蝕材料的構(gòu)成及類型 21
1.5.2 典型燒蝕材料及用途 23
1.5.3 燒蝕材料在不同任務(wù)類型飛行器中使用情況 24
1.6 材料燒蝕機(jī)理和相關(guān)物理問題 25
1.6.1 燒蝕表面質(zhì)量平衡 26
1.6.2 燒蝕表面能量平衡方程 30
1.7 燒蝕對飛行器氣動(dòng)特性的影響 31
1.8 影響燒蝕的主要因素 32
1.9 燒蝕的新問題與新概念 35
參考文獻(xiàn) 36
第2章 高溫邊界層傳熱基礎(chǔ)知識(shí) 40
2.1 引言 40
2.2 氣動(dòng)加熱的一些基本知識(shí) 40
2.2.1 傳熱的基本形式 41
2.2.2 傳熱系數(shù) 44
2.2.3 恢復(fù)溫度和恢復(fù)焓 45
2.2.4 參考溫度和參考焓 47
2.2.5 邊界層轉(zhuǎn)捩 49
2.2.6 不同流態(tài)的氣動(dòng)加熱 50
2.2.7 高溫氣體熱力學(xué)和熱化學(xué)基本知識(shí) 52
2.3 多組元反應(yīng)氣體流動(dòng)的基本方程 56
2.4 邊界層方程 60
2.5 流動(dòng)的化學(xué)狀態(tài) 66
2.6 壁面催化反應(yīng) 67
2.7 邊界層的近似比擬關(guān)系 69
2.7.1 邊界層質(zhì)量擴(kuò)散與傳熱的比擬關(guān)系 69
2.7.2 邊界層擴(kuò)散與速度的雷諾比擬關(guān)系 70
2.8 可壓縮邊界層方程的相似解 71
2.8.1 可壓縮邊界層方程的相似變換 71
2.8.2 離解空氣的二組元簡化 73
2.8.3 平衡邊界層方程的駐點(diǎn)解 75
2.8.4 零攻角層流邊界層熱流 82
2.8.5 零攻角湍流邊界層熱流 83
2.8.6 轉(zhuǎn)捩區(qū)熱流 84
2.8.7 有攻角表面熱流 84
參考文獻(xiàn) 85
第3章 燒蝕表面化學(xué)動(dòng)力學(xué)和相容關(guān)系 87
3.1 引言 87
3.2 燒蝕表面異相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論 87
3.2.1 異相反應(yīng)的基本原理 88
3.2.2 表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 88
3.2.3 表面蒸發(fā)動(dòng)力學(xué) 90
3.2.4 表面反應(yīng)的通用表達(dá)式 91
3.3 表面質(zhì)量相容性條件 92
3.3.1 表面燒蝕的質(zhì)量相容關(guān)系 92
3.3.2 帶有表面燒蝕和內(nèi)部熱解一般情況的質(zhì)量相容關(guān)系 94
3.4 表面能量相容性條件 94
3.4.1 質(zhì)量引射系數(shù) 96
3.4.2 粗糙度熱增量 98
參考文獻(xiàn) 99
第4章 硅基復(fù)合材料燒蝕理論 100
4.1 引言 100
4.2 硅基復(fù)合材料燒蝕機(jī)理 101
4.2.1 樹脂熱分解 101
4.2.2 液態(tài)層問題 102
4.2.3 表面反應(yīng)問題 103
4.3 液態(tài)層流動(dòng)方程及解析分析 103
4.4 硅基復(fù)合材料燒蝕的工程計(jì)算方法 106
參考文獻(xiàn) 111
第5章 碳基材料燒蝕理論 112
5.1 引言 112
5.2 碳基材料的燒蝕機(jī)理 113
5.2.1 碳與空氣的表面化學(xué)反應(yīng) 113
5.2.2 碳的升華特性 117
5.2.3 碳基材料的力學(xué)剝蝕特性 118
5.3 碳基材料的氧化動(dòng)力學(xué)模型 119
5.3.1 各種經(jīng)典氧化動(dòng)力學(xué)模型 120
5.3.2 各種經(jīng)典燒蝕模型比較 128
5.4 碳基材料氧化燒蝕的“快/慢”反應(yīng)和“單/雙”平臺(tái)問題 131
5.4.1 CO2在燒蝕計(jì)算中的作用及快、慢反應(yīng)的關(guān)系 133
5.4.2 碳氧反應(yīng)的雙平臺(tái)理論和控制區(qū)劃分 134
5.5 碳基材料的全溫區(qū)燒蝕計(jì)算方法 139
5.5.1 全溫區(qū)燒蝕計(jì)算模型 139
5.5.2 碳/碳燒蝕計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較 146
5.5.3 焓值和壓力對碳基材料燒蝕的影響 147
參考文獻(xiàn) 149
第6章 熱解炭化材料的燒蝕熱響應(yīng)理論 151
6.1 引言 151
6.2 炭化材料的分類和熱解特性 153
6.2.1 炭化材料的種類及熱物理特性 153
6.2.2 炭化材料的熱解特性 154
6.3 炭化材料的燒蝕和內(nèi)部熱響應(yīng)特性 157
6.3.1 炭化材料燒蝕熱響應(yīng) 157
6.3.2 炭化層表面的熱化學(xué)燒蝕 158
6.3.3 熱解氣體注入邊界層效應(yīng) 159
6.3.4 熱解氣體對炭化層溫度的影響 160
6.4 炭化材料燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算的分層模型 161
6.4.1 熱解面分層模型 161
6.4.2 熱解區(qū)分層模型 162
6.4.3 一維分層模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較 163
6.5 炭化材料燒蝕熱響應(yīng)的一維連續(xù)模型 167
6.5.1 連續(xù)熱解動(dòng)力學(xué)模型 167
6.5.2 一維連續(xù)模型的數(shù)值求解方法 169
6.5.3 表面有熔化的連續(xù)模型 182
6.6 炭化材料二維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算方法 189
6.6.1 二維連續(xù)模型計(jì)算方法 189
6.6.2 熱解氣體橫向流動(dòng)的影響 193
6.6.3 蜂窩夾層對結(jié)構(gòu)溫度的影響 195
6.7 炭化材料三維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算方法 198
6.7.1 三維熱響應(yīng)的連續(xù)模型 198
6.7.2 動(dòng)網(wǎng)格策略 201
6.7.3 三維燒蝕熱響應(yīng)控制方程的有限元離散 203
6.7.4 算例 209
參考文獻(xiàn) 213
第7章 陶瓷基復(fù)合材料燒蝕理論 215
7.1 引言 215
7.2 形成液態(tài)抗氧化膜的燒蝕模型 216
7.2.1 C/SiC復(fù)合材料的氧化特性分析 216
7.2.2 C/SiC活性氧化計(jì)算模型 218
7.2.3 活性氧化→惰性氧化的轉(zhuǎn)化條件 222
7.2.4 惰性氧化計(jì)算模型 225
7.2.5 惰性氧化→活性氧化的轉(zhuǎn)化條件 231
7.2.6 C/SiC材料燒蝕計(jì)算結(jié)果 232
7.3 形成固態(tài)抗氧化膜的燒蝕模型 233
7.3.1 材料的成分和結(jié)構(gòu) 233
7.3.2 燒蝕機(jī)理分析 234
7.3.3 基體ZrC的惰性氧化燒蝕 236
7.3.4 表面剝蝕計(jì)算方法 238
7.3.5 基體材料熱傳導(dǎo)計(jì)算方法 240
7.3.6 C/ZrC材料燒蝕計(jì)算結(jié)果 247
7.4 孔洞和微裂縫燒蝕模型 251
7.4.1 化學(xué)反應(yīng) 252
7.4.2 孔洞氧化燒蝕的計(jì)算模型 253
7.4.3 邊界條件 255
7.4.4 方程求解方法 256
7.4.5 討論 257
7.4.6 典型計(jì)算結(jié)果 258
7.5 復(fù)合材料分段協(xié)同燒蝕模型 262
7.5.1 ZrB2材料的燒蝕機(jī)理 262
7.5.2 碳纖維增強(qiáng)SiC和ZrB2復(fù)合材料協(xié)同燒蝕機(jī)理 269
參考文獻(xiàn) 278
第8章 大氣中云粒子對飛行器的侵蝕 282
8.1 引言 282
8.2 大氣云粒子環(huán)境 283
8.2.1 大氣云粒子環(huán)境描述方法和天氣嚴(yán)重等級(jí) 283
8.2.2 云粒子的微觀結(jié)構(gòu) 284
8.2.3 典型地區(qū)天氣剖面 289
8.3 云粒子在激波層中的質(zhì)量損失和速度衰減 294
8.3.1 天氣粒子在激層中的質(zhì)量損失 294
8.3.2 天氣粒子在激波層內(nèi)的速度衰減 296
8.3.3 激波層中粒子的阻力系數(shù) 297
8.4 粒子侵蝕機(jī)制和質(zhì)量損失 300
8.4.1 粒子與靶材的撞擊特性 300
8.4.2 抗侵蝕系數(shù)CN和質(zhì)量侵蝕比G的確定 307
8.4.3 粒子侵蝕產(chǎn)生的熱增量 313
8.5 粒子侵蝕的相似律及試驗(yàn)?zāi)M問題 316
8.5.1 粒子云環(huán)境模型簡化 317
8.5.2 粒子云侵蝕的相似律 317
8.5.3 粒子侵蝕試驗(yàn)?zāi)M準(zhǔn)則 319
8.5.4 地面試驗(yàn)的相關(guān)性分析 322
8.6 粒子云侵蝕數(shù)值仿真和算例分析 323
8.7 自由飛彈道靶侵蝕試驗(yàn)技術(shù) 329
8.7.1 試驗(yàn)系統(tǒng) 330
8.7.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?331
8.7.3 數(shù)據(jù)采集與處理 332
8.7.4 典型的試驗(yàn)結(jié)果 335
8.8 電弧加熱器侵蝕/燒蝕耦合試驗(yàn)技術(shù) 336
8.8.1 試驗(yàn)設(shè)備 336
8.8.2 參數(shù)測試技術(shù) 338
8.8.3 應(yīng)用 341
8.9 模型自由飛粒子云侵蝕試驗(yàn)技術(shù) 342
參考文獻(xiàn) 344
第9章 燒蝕/侵蝕外形變化和質(zhì)量特性 345
9.1 引言 345
9.2 燒蝕/侵蝕外形的描述方法 345
9.2.1 瞬時(shí)坐標(biāo)系 346
9.2.2 非對稱燒蝕/侵蝕外形的數(shù)值逼近 348
9.3 燒蝕/侵蝕外形微分方程的性質(zhì) 353
9.3.1 燒蝕/侵蝕外形方程 353
9.3.2 燒蝕/侵蝕外形方程的性質(zhì) 355
9.3.3 形變方程的擬線性化 355
9.4 燒蝕/侵蝕外形方程的求解方法 356
9.4.1 附加人工耗散項(xiàng)的隱式差分求解方法 356
9.4.2 求解燒蝕/侵蝕外形方程的NND格式 360
9.4.3 燒蝕/侵蝕外形計(jì)算結(jié)果分析 361
9.5 飛行器燒蝕/侵蝕外形的質(zhì)量、重心和慣量計(jì)算 367
參考文獻(xiàn) 371
第10章 復(fù)雜防熱結(jié)構(gòu)傳熱分析 373
10.1 引言 373
10.2 三維熱響應(yīng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算方法 373
10.2.1 三維各向同性材料熱響應(yīng)有限體積計(jì)算方法 373
10.2.2 正交各向異性材料熱響應(yīng)有限體積計(jì)算方法 376
10.2.3 考核算例 378
10.3 輻射/導(dǎo)熱混合傳熱問題 383
10.3.1 透明介質(zhì)一維輻射導(dǎo)熱耦合傳熱 383
10.3.2 氣凝膠和纖維類隔熱材料的隔熱性能計(jì)算 385
10.4 細(xì)編穿刺復(fù)合材料多尺度傳熱特性 390
10.4.1 介觀/細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型 391
10.4.2 編織結(jié)構(gòu)傳熱特性計(jì)算分析 393
參考文獻(xiàn) 399
第11章 多場耦合燒蝕計(jì)算方法 401
11.1 引言 401
11.2 燒蝕耦合計(jì)算方法的發(fā)展歷程 401
11.3 六自由度彈道計(jì)算方法簡介 405
11.3.1 坐標(biāo)系的定義及變換關(guān)系 405
11.3.2 質(zhì)心動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 407
11.3.3 地球自轉(zhuǎn)及扁率的影響 408
11.3.4 補(bǔ)充關(guān)系式及彈道方程的求解 409
11.4 氣動(dòng)力工程預(yù)測方法 410
11.4.1 部件疊加法 410
11.4.2 推廣內(nèi)伏牛頓流理論 412
11.4.3 氣動(dòng)力在彈道方程中的引入 413
11.5 常規(guī)燒蝕耦合計(jì)算 413
11.5.1 燒蝕耦合計(jì)算