烧蚀热防护系统三维热响应有限元计算方法研究

发布时间：2017-09-02 15:40

  本文关键词：烧蚀热防护系统三维热响应有限元计算方法研究

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【摘要】：再入弹头和载人飞船返回舱等返回式飞行器在战略威慑、远程打击和载人航天领域发挥着重要作用。此类飞行器以高超声速再入大气层,为避免其因严酷的气动加热而损毁,必须采取热防护措施,而目前最有效的手段是烧蚀防热。但装配热防护系统会增加飞行器系统重量,影响飞行性能和有效载荷,必须进行精细化设计,这就对再入气动加热环境下防热系统内部温升变化的准确预测提出了更高的要求。为满足这一需求,在目前飞行试验成本高、而风洞测量可模拟条件有限的情况下,具有灵活性和经济性特点的高精度数值计算方法,已成为对烧蚀热防护系统进行设计、鉴定和评估的必备手段之一。欧美各航天强国在温度场计算方面开展了大量研究,计算能力从最初的简单一维问题逐步扩展至三维复杂情况,并已形成了多套完备的烧蚀热响应计算软件。相比之下,我国在该领域的研究起步较晚,进展滞后,尤其是在带有烧蚀动边界的三维复杂热响应计算方面,目前还处于初始阶段。针对这一现状,本文对三维烧蚀热响应计算方法进行探索,旨在为我国再入飞行器防热系统精细化设计提供切实可用的计算分析手段。烧蚀热响应现象十分复杂,要实现其准确数值模拟,首先需要进行机理分析,建立合理的数学物理模型。本文在前人研究的基础上,基于质量守恒、动量守恒和能量守恒原理,考虑了表面烧蚀后退、材料热解和热解气体在炭化层内流动等关键因素对温度分布的影响,建立了烧蚀热响应控制方程模型。根据该物理模型,建立了烧蚀热响应数值模拟方法,并进行了方法验证和计算结果分析。本文共分以下几个章节:第一章为引言,综合概述研究背景及国内外研究现状。第二章为物理模型、基本方程及数值方法,对所采用的研究方法进行总述。在机理分析的基础上,建立起描述烧蚀热响应的守恒方程及相应的表面能量平衡方程。并根据模拟烧蚀动边界的需要,将控制方程进行了动坐标体系变换。最后对所采用的有限元数值方法进行了简要介绍。第三章主要为炭化材料一维烧蚀热响应计算及验证。利用前缘定位法处理烧蚀移动边界,按有限元方法的一般步骤,结合Newton-GMRES隐式迭代,对基本方程进行离散和求解。通过有解析解算例的误差分析表明,所用的求解器可以达到二阶时间和空间精度。在此基础上,利用所发展的程序,针对不同输入条件,计算得到了与文献典型算例和试验吻合良好的数据,进一步验证计算方法的可靠性。第四章主要内容为三维烧蚀热响应计算方法的建立、验证及应用。在本章中将一维方法推广到三维情况,应用Darcy定律描述热解气体在多孔的炭化层内的流动,基于MOOSE框架,采用限元方法对三维动坐标系下的控制方程进行离散,应用Newton-GMRES迭代策略求解大型稀疏矩阵。通过对比算例,对三维程序的可靠性进行验证。在此基础上,考察了三维导热和热解气体横向流动对温度场带来的影响,发现材料内部的多维导热减缓了能量沿纵向的传播,从而使观测点的温度较一维计算结果有所降低,而热解气体的横向流动则减弱了对热流的阻塞效应。最后以带曲面的非对称烧蚀模型为例,对程序处理复杂问题能力进行综合考量。最后,在第五章结束语部分,对全文进行了总结,对下一步需要开展的工作进行了规划。
【关键词】：热防护 烧蚀 移动边界 炭化材料 热解 有限元 三维热响应
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V244.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 引言11-18
• §1.1 研究工作的背景和意义11-14
• §1.2 研究现状14-16
• §1.3 本文工作16-18
• 第二章 物理模型、基本方程及数值方法18-30
• §2.1 烧蚀热响应的物理过程18-19
• §2.2 描述烧蚀热响应的控制方程19-24
• §2.2.1 质量守恒方程20
• §2.2.2 动量守恒方程20-21
• §2.2.3 能量守恒方程21-22
• §2.2.4 热边界条件22-24
• §2.3 动网格策略及控制方程的坐标变换24-28
• §2.4 有限元数值方法28-30
• 第三章 一维烧蚀热响应计算方法建立及验证30-49
• §3.1 一维烧蚀热响应控制方程30-34
• §3.1.1 一维质量守恒方程30-31
• §3.1.2 一维能量守恒方程31-32
• §3.1.3 一维控制方程的坐标变换32-34
• §3.2 一维控制方程的离散和求解34-39
• §3.2.1 一维控制方程的Galerkin弱格式34-36
• §3.2.2 构造插值函数36-37
• §3.2.3 边界条件及单元有限元方程37-38
• §3.2.4 总体方程的组合38-39
• §3.3 一维热响应计算程序考核算例39-49
• §3.3.1 算例一：有解析解的一维热传导问题40-43
• §3.3.2 算例二：定壁温条件下有热解、无烧蚀的一维热响应计算43-44
• §3.3.3 算例三：对流换热边界、有热解、无烧蚀44-45
• §3.3.4 算例四：对流换热边界、有热解、有烧蚀45-47
• §3.3.5 算例五：电弧风洞试验条件47-49
• 第四章 三维烧蚀热响应计算方法建立、验证及应用49-67
• §4.1 三维控制方程的离散及求解49-54
• §4.1.1 三维控制方程的Galerkin弱格式50-51
• §4.1.2 三维条件下的插值函数构造51-54
• §4.2 三维热响应计算程序计算结果分析54-67
• §4.2.1 算例一：有解析解三维热传导算例54-57
• §4.2.2 算例二：表面均匀热流、有热解、无烧蚀57-58
• §4.2.3 算例三：表面非均匀热流、有热解、无烧蚀58-61
• §4.2.4 算例四：表面均匀热流、热解气体明显横向流动61-62
• §4.2.5 算例五：表面均匀热流、有热解、有烧蚀62-63
• §4.2.6 算例六：球头外形、非对称烧蚀、有热解63-67
• 第五章 结束语67-69
• §5.1 总结67
• §5.2 未来工作展望67-69
• 致谢69-70
• 作者简历70
• 读硕士学位期间论文发表情况70-71
• 参考文献71-76
• 附录A NEWTON迭代法76-77
• 附录B KRYLOV子空间方法77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：779457