CN106844440A - 多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法 - Google Patents

Abstract

多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法，提出了一种基于烧蚀主控组分筛选的多组分防热材料在气动加热环境下的烧蚀特性数据库构建方法。该方法对任意两种或两种以上组分组成的材料、任意来流气体组分均具有较好的适用性，具有构建方法便捷、研发成本低的特点，可为材料烧蚀热响应预测及防热结构烧蚀性能评估提供直接数据支撑。

Description

多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法

技术领域

本发明属于飞行器热防护设计领域，具体涉及一种针对多组分防热材料的热化学平衡烧蚀数据库构建方法。

背景技术

高超声速飞行器具有长时间飞行和升力体外形特征，面临复杂、多样化的气动加热环境，防热材料从单一组分为主向多组分体系发展，现有烧蚀计算方法难以满足飞行器对防热材料烧蚀热响应的准确预示与性能评估需求。多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库的构建，可实现不同气动加热环境下材料烧蚀特性的快速预测，对于材料防热性能评估及飞行器防热设计具有重要意义。

目前的热化学烧蚀预测方法，主要针对单一组分为主要成分的防热材料体系，针对材料组分在不同温度、压力环境下的主要反应机理，进行材料烧蚀速率的计算分析，并通过经验关系式或直接调用算法代码的方式与防热结构传热计算进行耦合。

对于多组分防热材料，各个组分在不同温度、压力及气体分压条件下的烧蚀过程存在相互影响，现有方法难以对其烧蚀行为进行理论预测。另外，由于多组分引起的化学反应及反应产物增加，提高了迭代求解计算量，在进行防热结构二维或三维烧蚀传热耦合分析时会引起数值计算量的大幅增加，而采用数据库的方式进行防热结构烧蚀传热的耦合计算，是提升计算效率和确保计算稳定性的重要途径之一。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库的构建方法，其目的是通过数据库的建立，为飞行器防热材料或防热层烧蚀传热性能的评估提供高效、稳定及准确的实施途径。

本发明的技术解决方案是：多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法，包括以下步骤：

(1)根据多组分防热材料及来流气体组分，确定材料表面可能出现的化学反应；

(2)根据方程组封闭原则，筛除被重复考虑的化学反应，建立剩余化学反应的热化学平衡方程；

(3)根据当前温度、压力条件，将与各组分相关的化学反应中，平衡常数最大的化学反应定义为该组分的主要化学反应；

(4)根据当前温度、压力条件、以及各组分的主要化学反应，确定多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分；

(5)保留烧蚀主控组分的热化学平衡方程，忽略次要组分的主要化学反应热化学平衡方程，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解当前温度、压力条件下的多组分防热材料无因次质量烧蚀速率、烧蚀气体产物分压及烧蚀气体产物的平均分子量；

(6)根据材料无因次质量烧蚀速率和烧蚀气体产物分压，确定当前温度、压力条件的烧蚀壁焓、烧蚀热；

(7)根据数据库构建对应的温度及压力区间要求，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)获得不同温度、压力条件下材料烧蚀特性参数：无因次质量烧蚀速率、平均分子量、烧蚀壁焓、烧蚀热，储存以上烧蚀特性参数，完成材料烧蚀数据库构建。

步骤(4)中的多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分确定步骤如下：

(4.1)分别针对每一个材料组分，忽略其余组分的主要化学反应，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解多组分防热材料在当前温度、压力条件下的无因次质量烧蚀速率；

(4.2)将热化学平衡烧蚀无因次质量烧蚀速率最小对应的组分确定为当前温度、压力条件下的烧蚀主控组分，其余组分确定为次要组分。

步骤(6)中的烧蚀壁焓确定步骤如下：

(6.1)采用材料表面烧蚀气体产物分压换算烧蚀气体产物质量分数；

(6.2)采用烧蚀气体产物质量分数进行焓值加权，得到材料表面的烧蚀壁焓。

步骤(6)中的烧蚀热确定步骤如下：

第一步，根据材料表面烧蚀气体产物分压换算烧蚀气体产物质量分数；

第二步，根据材料无因次质量烧蚀速率和烧蚀气体产物质量分数，确定材料和来流各个组分的无因次质量消耗速率，以及烧蚀气体产物组分的无因次质量生成速率；

第三步，通过对第二步中所有组分的无因次质量消耗/生成速率与其焓值的乘积求和，获得多组分防热材料的烧蚀热。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明将热化学平衡烧蚀无因次质量烧蚀速率最小对应的组分确定为烧蚀主控组分，体现了多组分防热材料烧蚀表面不同组分之间烧蚀性能差异对材料整体烧蚀特性的影响，解决了现有热化学平衡烧蚀计算方法无法针对多组分材料的烧蚀特性进行分析的难题。

(2)本发明通过单次计算即可完成一定压力和温度区间的多组分材料烧蚀特性数据覆盖，避免了烧蚀传热耦合分析中对相同或类似压力、温度条件下的烧蚀迭代算法的重复调用；且本发明关于数据库数据的计算过程，适用于任意组分及组分比例组成的多组分防热材料，也适用于任意组分及组分比例组成的来流气体和热解引射气体，具有很好的通用性。

(3)本发明采用材料表面烧蚀气体产物分压确定烧蚀壁焓的方法，相比目前采用平衡空气焓值替代烧蚀壁焓的简化处理方法，更符合物理客观事实；采用材料无因次质量烧蚀速率、表面烧蚀气体产物分压确定烧蚀热效应的方法，相比目前根据各个化学反应的反应热效应进行统计的方法更为便捷，也更容易实现编程计算。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示的数据库构建流程图，本发明的具体实施过程如下：

(1)根据多组分防热材料及来流气体组分，采用化学热力学分析方法确定材料表面可能出现的化学反应及反应产物。

根据防热材料的组成成分和来流气体组成成分，采用化学反应过程中的热力学第二定律，针对防热材料所处的温度和气体分压条件，确定可能出现的化学反应类型。根据可能出现的化学反应，列出所有可能生成的烧蚀气体产物。

例如，碳/碳化硅材料属于典型的多组分防热材料，其包含两种主要化学组分：碳和碳化硅。根据热力学第二定律，其在温度2500K、压力10kPa的空气来流(气体组成成分为氮气和氧气)条件下，可能出现的化学反应包括：

……

对应的烧蚀气体产物则包括：CO、CO₂、SiO、Si、Si₂C、SiC₂……等。

(2)根据方程组封闭原则，筛除被重复考虑的化学反应，建立剩余化学反应的热化学平衡方程。

假设材料组分为L个，烧蚀表面可能出现的气体组分为I个，涉及的化学元素为K个，则物理上能够独立的化学反应数量为I+L-K个，其余化学反应均可由这I+L-K个化学反应通过合并的方式得到，根据该原则，结合对化学反应独立性的考虑，筛除被重复考虑的化学反应。

例如，考虑以下三个反应，其中任意一个反应方程均可由另外两个反应方程合并得到，因此只有两个反应具有独立性，需将其中任意一个反应进行筛除。

各个反应的热化学平衡方程的一般形式如下：

其中，P_i为气体分压；v_i为反应物和生成物的计量数；为化学反应标准平衡常数；P^θ为标准大气压

(3)根据当前温度、压力条件，将与各组分相关的化学反应中，平衡常数最大的化学反应定义为该组分的主要化学反应。

通过查询热力学手册，计算出与各个组分相关的化学反应的反应平衡常数，将化学平衡常数最大的化学反应视为当前组分在当前温度、压力条件下的主要化学反应。

(4)根据当前温度、压力条件、以及各组分的主要化学反应，确定多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分。

分别针对每一个材料组分，忽略其余组分的主要化学反应(保留次要化学反应)，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解多组分防热材料在当前温度、压力条件下的无因次质量烧蚀速率；将热化学平衡烧蚀无因次质量烧蚀速率最小对应的组分确定为当前温度、压力条件下的烧蚀主控组分，其余组分确定为次要组分。

热化学平衡烧蚀计算方法的需要求解的方程包括材料表面元素质量守恒方程、气体总压方程以及热化学平衡方程。

其中，材料表面元素质量守恒方程的一般形式为：

气体总压方程的一般形式为：

其中，Y_ke，Y_kc，Y_kp分别为元素k在边界层外缘、材料表面以及热解气体中的质量分数；M_k为元素k的摩尔质量；为烧蚀气体产物的平均分子量；c_ki为元素k在组分i中的原子数；B_p为无因次热解气体质量流率；B_c为材料的无因次质量烧蚀速率；P₀为材料表面气体总压；P_i为烧蚀表面的气体分压。

(5)求解当前温度、压力条件下的多组分防热材料无因次质量烧蚀速率、烧蚀气体产物分压及烧蚀气体产物的平均分子量。

保留烧蚀主控组分的热化学平衡方程，忽略次要组分的主要化学反应热化学平衡方程，保留其余组分的次要化学反应，采用热化学平衡烧蚀计算方法，可以计算得到当前温度、压力条件下的多组分防热材料无因次质量烧蚀速率、烧蚀气体产物分压及烧蚀气体产物的平均分子量。

(6)根据材料无因次质量烧蚀速率和烧蚀气体产物分压，确定当前温度、压力条件的烧蚀壁焓、烧蚀热。

通过查询热力学手册得到气体组分的标准生成焓作为其焓值，采用材料表面烧蚀气体产物分压和气体分子量换算烧蚀气体质量分数，采用烧蚀气体质量分数加权得到烧蚀壁焓。

其中，H_w为烧蚀壁焓；m_gi为烧蚀气体质量分数；H_i为烧蚀气体组分的焓。

采用材料无因次质量烧蚀速率换算材料和来流各个组分的无因次质量消耗速率，以及烧蚀气体产物的无因次质量生成速率。

对于材料组分的无因次质量消耗速率，其换算公式为:

B_m＝-B_cm_ci

对于来流组分的无因次质量消耗速率和烧蚀气体产物组分的无因次质量生成速率，其换算公式为:

B_m＝(1+B_c+B_p)m_gi-m_fi-B_pm_pi

上述各式中，B_p为无因次热解气体质量流率；B_c为材料的无因次质量烧蚀速率；B_m为无因次质量消耗/生成速率；m_gi为烧蚀气体质量分数；m_ci为材料中各个组分的质量分数；m_fi为来流各个组分的质量分数；m_pi为热解气体中各个组分的质量分数。

通过对所有组分的无因次质量消耗率(值为0或负)或无因次质量生成率(值为0或正)与焓值的乘积求和，获得材料的烧蚀热。

其中，H_reac为烧蚀热；H_m为组元的焓；B_m为无因次质量消耗/生成速率；B_c为材料的无因次质量烧蚀速率。

烧蚀热值为正表示材料表面的烧蚀过程为吸热过程、烧蚀热值为负表示材料表面的烧蚀过程为放热过程。

(7)根据数据库构建需要的温度及压力区间，完成材料烧蚀数据库构建。

根据数据库构建需要的温度及压力区间，确定需要计算的温度压力计算点，通过编程方式实现步骤(3)(4)(5)(6)过程的自动化求解，获得不同温度、压力条件下材料烧蚀特性参数数据：无因次质量烧蚀速率、平均分子量、烧蚀壁焓、烧蚀热。将计算获得的不同温度及压力条件下的以上数据进行储存，完成材料烧蚀数据库的构建。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.多组分防热材料热化学平衡烧蚀数据库构建方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据多组分防热材料及来流气体组分，确定材料表面可能出现的化学反应；

(2)根据方程组封闭原则，筛除被重复考虑的化学反应，建立剩余化学反应的热化学平衡方程；

(3)根据当前温度、压力条件，将与各组分相关的化学反应中，平衡常数最大的化学反应定义为该组分的主要化学反应；

(4)根据当前温度、压力条件、以及各组分的主要化学反应，确定多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分；

(5)保留烧蚀主控组分的热化学平衡方程，忽略次要组分的主要化学反应热化学平衡方程，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解当前温度、压力条件下的多组分防热材料无因次质量烧蚀速率、烧蚀气体产物分压及烧蚀气体产物的平均分子量；

(6)根据材料无因次质量烧蚀速率和烧蚀气体产物分压，确定当前温度、压力条件的烧蚀壁焓、烧蚀热；

(7)根据数据库构建对应的温度及压力区间要求，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)获得不同温度、压力条件下材料烧蚀特性参数：无因次质量烧蚀速率、平均分子量、烧蚀壁焓、烧蚀热，储存以上烧蚀特性参数，完成材料烧蚀数据库构建。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(4)中的多组分防热材料的烧蚀主控组分和次要组分确定步骤如下：

(4.1)分别针对每一个材料组分，忽略其余组分的主要化学反应，采用热化学平衡烧蚀计算方法，求解多组分防热材料在当前温度、压力条件下的无因次质量烧蚀速率；

(4.2)将热化学平衡烧蚀无因次质量烧蚀速率最小对应的组分确定为当前温度、压力条件下的烧蚀主控组分，其余组分确定为次要组分。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中的烧蚀壁焓确定步骤如下：

(6.1)采用材料表面烧蚀气体产物分压换算烧蚀气体产物质量分数；

(6.2)采用烧蚀气体产物质量分数进行焓值加权，得到材料表面的烧蚀壁焓。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中的烧蚀热确定步骤如下：

第一步，根据材料表面烧蚀气体产物分压换算烧蚀气体产物质量分数；

第二步，根据材料无因次质量烧蚀速率和烧蚀气体产物质量分数，确定材料和来流各个组分的无因次质量消耗速率，以及烧蚀气体产物组分的无因次质量生成速率；

第三步，通过对第二步中所有组分的无因次质量消耗/生成速率与其焓值的乘积求和，获得多组分防热材料的烧蚀热。