再入飞行器多层隔热结构优化分析

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1、万方数据万方数据航空学报第28卷忽略自然对流换热影响，其温度场的微分控制方程及边界条件为，c警=鑫(。警)一警㈤P‘百2五l。瓦厂磊⋯初始条件为T(z，O)=R(2)边界条件为T(O，f)一Tr(￡)1T(L，￡)=R(≠)J‘式中：口和c分别为包括反射屏与隔热材料的总密度及总比热；L(￡)为飞行器辐射平衡温度，吼为辐射热流；L为隔热结构厚度；§为考虑气体和固体传导的当量热传导系数，为固体传导系数^。和气体传导系数女。的函数，一般采用热阻模型和几何模型进行求解。考虑到隔热纤维相关参数的限制，本文采用并行热阻计算模型[o≈一以，+(1一，)^。(4)式中；，为材料多孔率。利用有限

2、元法(FEM)，将热防护结构离散为多个元素，沿热流传递的一维单向坐标方向进行单元划分，通过对每一元素的变分求解，联立整个求解域，得出单元或节点的温度值。根据微分方程和边界条件得到相应的泛函”1为t=妻p一耋阻[t(喾)2+z(墓协等)rH㈣设元素温度表示为T“’(z)一[N(工)]T“’(6)式中：T“’为节点温度。令旦一÷鱼翌一naL鲁÷aTi“其中：T。为待定温度值，经过推导后即可得筹一Ⅲt喾喾p+N；警+P。N。N，于e’}∞(7)由于隔热结构层内纤维材料多为吸收、发射和散射介质，内部存在辐射能量的吸收和散射，内部辐射传热方程中具有较多控制参数，因此可根据纤维材料的光学厚

3、度划分成多种辐射状态，并相应地应用扩散、光学薄和二流近似等方法对内部辐射传热方程进行简化处理求得近似辐射热流值⋯。其中光学厚度n等于介质特征尺寸L7与光子平均自由程A，之比，是纤维厚度L、纤维密度p和比衰减系数e的乘积，即T，r02寺1‘P．L∞’本文采用有限元分析软件ANsYs对多层隔热结构进行传热分析，建立一维有限元瞬态传热模型。分别选用热传导杆单元LINK33和二节点热辐射杆单元LINK31模拟盖板、隔热层内的传导和反射屏与上下盖板之间及反射屏之问的辐射。由于材料的热性能为温度和压力等一系列参量的函数，需要在每一时间步长分析时交换相应的数据。本文充分利用ANsYs参数化A

4、PDL语言的计算控制和结果提取功能以及循环迭代算法，编制批处理命令流文件，采用重启动分析，实觋材料属性的实时改变。主要分析流程及部分主要命令流如图1所示。重启动定义单兀类型．输入剌料属性划分单元，建芷有限兀槿聋J定义单元材料属性定义模型约束信息．施Du载荷求解计算输出结果卜r再j：i再根据结果改变材料属性否瞬春分析莹结束分析／SOLURESC吲Ⅱmt．ALL-AⅡ·BF【JNIF．T肿．294D．1。T聊，船口r目H(TM0)TI呱．TMOSOLVEREscoNTR∞rFILFStII{㈣‘D0，TM，TMl．TH_INcR，S0[UANTYPE．．RESTDD皿正．1．TWD

5、，1，TE瞻，髓0T髓(TM>TI髓．THSOLVEnmTl’ENDDO圉1有限元传热分析流程厦部分主要命令流Fi§1AnaIyncnowchatandpan0fthemalncommand1inea万方数据第6期赵玲等：再人飞行嚣多层隔热结柯优化分析为验证计算方法的正确性，将有限元分析结果与文献[4]实验结果进行比较，分析过程中各参数和边界条件的选取均遵循实验值，图2给出有限元计算结果与实验数据及文献数值计算结果的比较曲线。由曲线值可以看出，有限元素法计算结果与实验数据吻合较好，两者间最大误差为4．2％，在允许误差范围内，可用于后续多层隔热结构的分析设计中。趔型赠图2计算结果

6、比较Fig2coⅢparison“etweenFEMre8ultgandexPerimentdata2多层隔热结构优化设计对于理想状态的多层隔热结构，其隔热效果与反射屏的辐射率e及反射屏的层数有关。假定两灰体平面温度分别为L，L，中间置有n层反射屏，且反射屏与平面辐射率相同．则平面间辐射换热量为dA(碍一E)⋯q一百F研霜两=订州’可见，辐射率～定时，反射屏层数增加能减少平面间的辐射传热，n层反射屏可使换热量减少到l／(”+1)。但在实际中多层隔热结构的隔热效果不仅与反射屏的辐射率e及反射屏的层数有关，还受到屏间纤维传热的影响，因此不能简单地靠增加反射屏层数，提高反射屏辐射率来

7、实现隔热性能的提高，需要对其进行综合分析，获得不同参数与隔热结构性能的变化规律。基于上述原理，以4层反射屏结构为例，通过对反射屏位置和屏闻纤维厚度等多个参数的分析，获得参数与隔热性能之间的相关变化规律，得到隔热性能最佳时反射屏的合理布置。分析过程中保持多层隔热结构总厚度76．2mm不变(模拟典型金属热防护系统[91)，屏间多晶氧化铝纤维密度固定为24kg／甜，反射屏反射率恒为o．1，镍板与铝台金板分别模拟多层隔热结构外部热边界及飞行器结构面，常温面板模拟飞行器内部常温环境。由于隔热结构主要作