复合材料在长时间加热条件下的隔热机理

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1、复合材料在长时间加热条件下的隔热机理复合材料在长时间加热条件下的隔热机理俞继军艾邦成姜贵庆(航天空气动力技术研究院,北京100074)文摘结合长时间非烧蚀热防护的技术需求,在固定壁面温度的条件下,对多孔材料传导一辐射耦合传热过程进行了模拟.结果表明:材料的隔热性能与材料的使用环境及内部结构密切相关,减小内部孔隙的特征尺寸,增加材料的密度和固体材料的比率有利于降低隔热材料的等效热导率,并延长材料达到热平衡的时间;同时达到平衡时,材料的背面温升与背面散热条件密切相关.关键词非烧蚀,传导一辐射耦合传热,隔热I

2、nsulationMechanismofCompositeatLongTimeAeroheatingConditionsYuJijunAiBangchengJiangGuiqing(ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,Beijing100074)AbstractHeattransfercoupledradiation—conductionforporousmaterialsissimulatedandinfluencefactorsareanalyzedatacons

3、tantboundarytemperatureaccordingtotheneedoflongtimenon—ablationthermalprotection.Theresultsshowthattheinsulationabilityiscloselyrelatedtotheworkingenvironmentandinteriorstructuresofthemate—rialsDecreasingthecharacterlengthofinnerstructureandincreasingthe

4、densityandtheratioofsolidmaterialwillbeinfavorofreducingeffectivethermalconductivityandextendingthetimereachingthermalequilibrium.Whentempera-tureisinequilibrium,thebacktemperatureincreasingwillbedecidedbytheboundaryheattransferconditions.KeywordsNon-Abl

5、ation,Heattransfercoupledradiation—conduction,Insulation1引言传统的弹道导弹气动加热时间短,隔热问题不突出,新型高超声速飞行器的滑翔与巡航时间长,可达2000～3000S,表面热流密度虽低,但总加量热很大,单纯依靠热化学吸热无法达到热防护的目的.传统的隔热机制采用低热导率的材料,隔热性能受到很大的限制,因为材料的内部温度不仅取决于其热导率,更取决于材料的导温系数0c=.,/pc.,0c与K成正比,与材料的密度P和比热C.成反比,由于当热导率减小时,

6、材料的密度会减小,因此其隔热性能具有一定的局限l生….文献[1～6]对多相复合的传热机理进行了研究,并与实验结果进行了比较.本文在Kamran等¨的基础上研究了多孔隔热材料的的隔热性能.2多相材料的隔热性能模拟目前,多相复合传热机制娟被广泛研究,其隔收稿日期:2006—09—26;修回日期:2006—11—16基金项目:国家自然科学基金资助(90505015)作者简介:俞继军,1974年出生,博士,主要从事气动热力学的研究工作一12一热性能有明显的提高.多相是指固一气二相或固一液—气三相,复合传热是指传

7、导,辐射,对流混合传热.考虑固一气二相传热,在空隙极小的条件下,自然对流可以忽略,则在气一固二相体系中,考虑辐射的一维热传导方程为:pCp=(,c)一等初始条件:r(x,0)=To边界条件:T(0,t)=T1a.一Keo'l(1)(2)(3)(4)式中,P为密度,C为比热容,K为等效热导率,为材料的初始温度,为上边界结构层的温度,q为材料内部的辐射热流,q为材料背面的辐射热流.s为材料的辐射系数.or为Stefan—Boltzmann常数.辐射热流梯度中由下式给出:宇航材料工艺2007年第4期Oqllr

8、=卢(1一∞)(G-4o-)(5)式中,为衰减系数,为散射的反射率,G为入射辐射能.假设散射是各向同性,灰体及漫反射表面,应用两热流的近似方法,辐射热流与入射辐射能的关系为:=一1?OG(6)入射辐射能G由以下二阶微分方程得到:.磐+G:4(7)3(1一(cJ)Ox～在材料的边界处满足如下边界条件:一—.+G:4o'Ti(8)…一=:I,,l3.L以—L.+G:4o"砭.(9)3z.讹通常,气体的热传导不随压力而变化,但在稀薄区及转捩区,气