發(fā)布時(shí)間：2020-06-20 20:25

【摘要】：準(zhǔn)確獲得高速飛行氣動(dòng)熱環(huán)境以及防熱材料在熱環(huán)境中的性能表現(xiàn),對(duì)于熱防護(hù)系統(tǒng)(Thermal protection system,TPS)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有極其重要的意義。獲取燒蝕防熱系統(tǒng)熱環(huán)境參數(shù)的一種可行方案是采用內(nèi)埋式傳感器測(cè)量材料內(nèi)部溫度,并根據(jù)測(cè)試溫度辨識(shí)材料表面的熱流密度。然而,防熱材料燒蝕行為高度非線性和不確定性,以及反問題的不適定性,對(duì)燒蝕材料的熱環(huán)境和燒蝕行為的準(zhǔn)確辨識(shí)帶來了極大挑戰(zhàn)。本文圍繞“熱防護(hù)系統(tǒng)表面氣動(dòng)熱環(huán)境測(cè)試”這一關(guān)鍵問題,重點(diǎn)開展了“防熱材料內(nèi)部溫度測(cè)試方法”和“熱解型燒蝕材料表面熱流辨識(shí)與燒蝕熱響應(yīng)反演”工作,建立了一種根據(jù)地面/飛行測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)燒蝕材料參數(shù)和材料所承受氣動(dòng)熱,并反演熱解型防熱材料燒蝕過程的方法。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)針對(duì)熱解型TPS材料的燒蝕特征,建立了其燒蝕過程的預(yù)報(bào)模型,并提出了合理的燒蝕反問題分析方法。分析蜂窩增強(qiáng)低密度防熱材料(Honeycomb reinforced lightweight ablator,HRLA)的燒蝕特征,建立了傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)多場(chǎng)耦合燒蝕過程的數(shù)學(xué)模型;提出了用于熱傳導(dǎo)和材料燒蝕過程的反問題分析方法,并分別對(duì)以參數(shù)估計(jì)為目標(biāo)的反問題和以邊界條件為目標(biāo)的反問題給出求解算法;為解決燒蝕反問題的誤差敏感性和高度非線性問題,提出了對(duì)輸入數(shù)據(jù)降噪和待求解變量的合理范圍進(jìn)行限定的處理方法。(2)開展了基于嵌入式測(cè)量裝置的非燒蝕材料的表面熱流測(cè)試方法的研究,驗(yàn)證了反問題分析方法用于求解熱傳導(dǎo)反問題的適用性。設(shè)計(jì)了金屬材質(zhì)的嵌入式熱流測(cè)量裝置,獲取裝置內(nèi)部的溫度響應(yīng),該裝置采用縫隙隔熱的方式有效改善了防熱材料和嵌入裝置之間的熱失配現(xiàn)象;針對(duì)嵌入式測(cè)量方法,提供了基于有限差分的高效熱流辨識(shí)算法,降低了非燒蝕材料表面熱流辨識(shí)的計(jì)算成本;制備并在風(fēng)洞試驗(yàn)環(huán)境中測(cè)試了嵌入式熱流測(cè)量裝置,基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱流辨識(shí)算法,辨識(shí)了測(cè)量裝置的表面熱流密度,將辨識(shí)熱流與風(fēng)洞標(biāo)定熱流對(duì)比分析,表明熱流辨識(shí)算法和嵌入式表面熱流測(cè)試方法的可行性。(3)針對(duì)燒蝕型熱防護(hù)材料溫度場(chǎng)易被干擾、溫度測(cè)量精度差的問題,進(jìn)行了燒蝕材料分層溫度測(cè)量方法研究,通過熱電偶布局設(shè)計(jì)有效降低了敏感元件對(duì)被測(cè)材料的溫度干擾,提高了熱防護(hù)材料內(nèi)部溫度的測(cè)量精度�；谠摐y(cè)量方法,利用高頻等離子風(fēng)洞提供的高溫流場(chǎng),設(shè)計(jì)和實(shí)施了HRLA材料燒蝕試驗(yàn)。對(duì)HRLA材料的燒蝕行為的分析結(jié)果表明,材料受熱后內(nèi)部分化成碳化層、熱解層和原始材料層,其中熱解層在熱解氣體壓力作用下產(chǎn)生裂隙;材料的失重和表面后退量表現(xiàn)出與表面溫度和表面熱流正相關(guān),與來流焓值負(fù)相關(guān)的關(guān)系;當(dāng)熱流高于1300 k W/m2,或熱流高于800 k W/m2且焓值低于15.4 MJ/kg時(shí),表面產(chǎn)生燒蝕后退;在熱流低于500 k W/m2,或熱流低于1000 k W/m2且來流焓值超過17.6 MJ/kg的熱環(huán)境中,表面未發(fā)生燒蝕后退,HRLA材料表現(xiàn)出體積燒蝕行為。試驗(yàn)成功獲取HRLA材料在不同熱環(huán)境中的內(nèi)部溫度信息,為后續(xù)材料參數(shù)辨識(shí)和熱流辨識(shí)提供依據(jù)。(4)開展了HRLA材料燒蝕熱響應(yīng)(內(nèi)部溫度、表面溫度和碳化深度)對(duì)材料性能參數(shù)和熱環(huán)境參數(shù)的敏感性分析,確定了主要影響參數(shù)為原始材料密度、碳化材料密度、碳化材料熱導(dǎo)率、熱解活化能和冷壁熱流等參數(shù);為提高燒蝕模型的預(yù)報(bào)精度,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和反問題分析,對(duì)主要影響參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和辨識(shí):通過風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析辨識(shí)了碳化材料熱導(dǎo)率,開展原始材料加熱試驗(yàn)辨識(shí)原始材料比熱,通過熱失重試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定了熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。HRLA材料參數(shù)的辨識(shí)計(jì)算過程中驗(yàn)證了燒蝕問題參數(shù)辨識(shí)算法的可行性。(5)開展了數(shù)值仿真試驗(yàn)對(duì)燒蝕反問題的函數(shù)辨識(shí)算法進(jìn)行考核驗(yàn)證,以辨識(shí)熱解型燒蝕材料表面熱流為目標(biāo),量化分析了測(cè)點(diǎn)位置和材料性能參數(shù)誤差等因素對(duì)熱流辨識(shí)的影響規(guī)律;基于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的溫度信息開展了熱流辨識(shí)與誤差分析,辨識(shí)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定熱流進(jìn)行對(duì)比,證明了該方法用于熱解型燒蝕材料表面熱流辨識(shí)的可行性;對(duì)高焓低熱流環(huán)境中的HRLA材料的燒蝕行為,包括熱解程度、熱解速率、孔隙壓力、熱解氣體質(zhì)量流率、表面質(zhì)量引射速率等,進(jìn)行了反演,并將材料的質(zhì)量損失和解熱程度分布的反演結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,取得良好的一致性;基于反演結(jié)果量化分析了HRLA材料的防熱機(jī)制,結(jié)果表明在高焓低熱流環(huán)境下,HRLA的主要熱防護(hù)機(jī)制為熱解反應(yīng)伴隨的化學(xué)吸熱、質(zhì)量引射和熱阻塞效應(yīng)以及材料表面熱輻射。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V445.1;V259
【圖文】：

非燒蝕材料進(jìn)行研究的，而針對(duì)燒蝕材料的燒蝕性能研究極度或熱流測(cè)試數(shù)據(jù)的傳熱反問題的數(shù)學(xué)模型的理論或應(yīng)用研代開始。其中 Tikhonov 等[108]提出的正則化方法被廣泛應(yīng)用熱流辨識(shí)；Beck 等采用順序函數(shù)法估計(jì)固體表面熱流[109]ry 等[68, 94]采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化算法辨識(shí)熱邊界。Marcelo[11求解 IHCP 問題，認(rèn)為反問題的求解對(duì)象可以是若干個(gè)參數(shù)估計(jì)的函數(shù)。如果這個(gè)函數(shù)的形式是已知的，則也可退化成的 FOTON-M2 任務(wù)的返回艙上裝有稱為′KERAMIKμ的實(shí)驗(yàn)國(guó)宇航中心（German Aerospace Center，DLR）位于斯圖加特心開發(fā)[71]�！銴ERAMIKμ表面直徑 340mm，嵌入在返回艙的驗(yàn)著重于 TPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。它包括兩塊帶加強(qiáng)筋的面板三個(gè)具有特殊連接方式的支柱上，所有的組件都是 C/C-SiC 1-3 所示。兩個(gè)面板中間和周圍特意留有直線和環(huán)形的縫隙密封性能。其中一塊面板上涂有不同組分的氧化物涂層，用析。

圖 1-5 ′KERAMIKμ裝置溫度測(cè)量數(shù)據(jù)與溫度隨時(shí)間變化率曲線(溫度峰值附近)Fig.1-5 Temperature measurements by KERAMIK and temperature-time derivetive curves(around the peak temperature)通過建立′KERAMIKμ的一維傳熱模型，并進(jìn)行反問題分析，獲得了材料壁面的熱流變化，建立的有限元模型和獲取的壁面熱流歷程如圖 1-6 所示。獲得的熱流數(shù)據(jù)很好的解釋了以上溫度變化的波動(dòng)。圖 1-6 建立的有限元模型和獲取的壁面熱流歷程

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2722925