【摘要】：準確獲得高速飛行氣動熱環(huán)境以及防熱材料在熱環(huán)境中的性能表現(xiàn),對于熱防護系統(tǒng)(Thermal protection system,TPS)的設(shè)計和優(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)埋式傳感器測量材料內(nèi)部溫度,并根據(jù)測試溫度辨識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,對燒蝕材料的熱環(huán)境和燒蝕行為的準確辨識帶來了極大挑戰(zhàn)。本文圍繞“熱防護系統(tǒng)表面氣動熱環(huán)境測試”這一關(guān)鍵問題,重點開展了“防熱材料內(nèi)部溫度測試方法”和“熱解型燒蝕材料表面熱流辨識與燒蝕熱響應(yīng)反演”工作,建立了一種根據(jù)地面/飛行測試數(shù)據(jù)辨識燒蝕材料參數(shù)和材料所承受氣動熱,并反演熱解型防熱材料燒蝕過程的方法。本文具體研究內(nèi)容如下:(1)針對熱解型TPS材料的燒蝕特征,建立了其燒蝕過程的預(yù)報模型,并提出了合理的燒蝕反問題分析方法。分析蜂窩增強低密度防熱材料(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,并分別對以參數(shù)估計為目標的反問題和以邊界條件為目標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,提出了對輸入數(shù)據(jù)降噪和待求解變量的合理范圍進行限定的處理方法。(2)開展了基于嵌入式測量裝置的非燒蝕材料的表面熱流測試方法的研究,驗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)計了金屬材質(zhì)的嵌入式熱流測量裝置,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;針對嵌入式測量方法,提供了基于有限差分的高效熱流辨識算法,降低了非燒蝕材料表面熱流辨識的計算成本;制備并在風(fēng)洞試驗環(huán)境中測試了嵌入式熱流測量裝置,基于風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)和熱流辨識算法,辨識了測量裝置的表面熱流密度,將辨識熱流與風(fēng)洞標定熱流對比分析,表明熱流辨識算法和嵌入式表面熱流測試方法的可行性。(3)針對燒蝕型熱防護材料溫度場易被干擾、溫度測量精度差的問題,進行了燒蝕材料分層溫度測量方法研究,通過熱電偶布局設(shè)計有效降低了敏感元件對被測材料的溫度干擾,提高了熱防護材料內(nèi)部溫度的測量精度�；谠摐y量方法,利用高頻等離子風(fēng)洞提供的高溫流場,設(shè)計和實施了HRLA材料燒蝕試驗。對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),與來流焓值負相關(guān)的關(guān)系;當熱流高于1300 k W/m2,或熱流高于800 k W/m2且焓值低于15.4 MJ/kg時,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)辨識和熱流辨識提供依據(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)報精度,通過實驗測試和反問題分析,對主要影響參數(shù)進行了測量和辨識:通過風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)分析辨識了碳化材料熱導(dǎo)率,開展原始材料加熱試驗辨識原始材料比熱,通過熱失重試驗數(shù)據(jù)分析確定了熱解動力學(xué)參數(shù)。HRLA材料參數(shù)的辨識計算過程中驗證了燒蝕問題參數(shù)辨識算法的可行性。(5)開展了數(shù)值仿真試驗對燒蝕反問題的函數(shù)辨識算法進行考核驗證,以辨識熱解型燒蝕材料表面熱流為目標,量化分析了測點位置和材料性能參數(shù)誤差等因素對熱流辨識的影響規(guī)律;基于風(fēng)洞試驗測量的溫度信息開展了熱流辨識與誤差分析,辨識結(jié)果與實驗標定熱流進行對比,證明了該方法用于熱解型燒蝕材料表面熱流辨識的可行性;對高焓低熱流環(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)洞試驗結(jié)果進行了對比驗證,取得良好的一致性;基于反演結(jié)果量化分析了HRLA材料的防熱機制,結(jié)果表明在高焓低熱流環(huán)境下,HRLA的主要熱防護機制為熱解反應(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V445.1;V259
【圖文】：

非燒蝕材料進行研究的，而針對燒蝕材料的燒蝕性能研究極度或熱流測試數(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；Beck 等采用順序函數(shù)法估計固體表面熱流[109]ry 等[68, 94]采用目標函數(shù)優(yōu)化算法辨識熱邊界。Marcelo[11求解 IHCP 問題，認為反問題的求解對象可以是若干個參數(shù)估計的函數(shù)。如果這個函數(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的實驗國宇航中心（German Aerospace Center，DLR）位于斯圖加特心開發(fā)[71]�！銴ERAMIKμ表面直徑 340mm，嵌入在返回艙的驗著重于 TPS 系統(tǒng)設(shè)計的研究。它包括兩塊帶加強筋的面板三個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裝置溫度測量數(shù)據(jù)與溫度隨時間變化率曲線(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。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】

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本文編號：2722925