热防护中的粒状剥蚀问题研究

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1、第27卷第6期航天器环境工程2010年12月SPACEcRAFTENVIRONMENTENGINEER玎0G747热防护中的粒状剥蚀问题研究李干1，汤文辉1，冉宪文1，龚德良2(1．国防科学技术大学理学院，长沙410073；2．湘南学院计算机科学系，郴州423000)摘要：粒状剥蚀是机械剥蚀的主要形式之一，对纤维复合材料的热防护性能有重要影响。通过理论分析得到了烧蚀达到稳定状态时纤维形状的表达式，在此基础上建立了粒状剥蚀问题的力学分析模型。通过受力分析，采用莫尔破坏准则建立了判断纤维复合材料是否发生粒状剥蚀的条件。根据判别

2、条件，材料纤维和基体的性能差异．外流场速度以及纤维尺寸都将显著地影响纤维复合材料的剥蚀性能。关键词：热防护；粒状剥蚀；机械剥蚀；纤维复合材料中图分类号：V435+．14文献标识码；A文章编号：1673-1379(2010)06-0747-04DoI：10．39690．issn．1673-1379．2010．06．0180引言飞行器再入大气层时以马赫数大于20的速度飞行，强烈的气动加热使其前缘驻点温度非常之高。为了保证飞行器有效、正常地上作，在高温部位必须采用抗烧蚀材料。C／C、C／SiC等复合材料是常用的抗烧蚀材料，在高温

3、下具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、耐热冲击和化学性能稳定等优异的性能。开展复合材料抗烧蚀机理数值研究非常必要，既具有重要的基础研究意义。也有着重要的应用价值fl】。由于复合材料的结构和烧蚀问题的边界条件都很复杂，在建立烧蚀模犁的过程中需要许多简化【2弓】。在烧蚀过程中的机械剁蚀是一个重要问题，会导致材料烧蚀表面变化进而影响其他烧蚀进程，剥蚀增加了烧蚀率但又对热防护没有起到有效的作用，因此在工程设计中必须考虑剥蚀的影响。本文通过理论分析建它了发生机械剥蚀的判据，在此基础上又分析了材料参数对剥蚀的影响。1抗烧蚀材料的机械剥蚀机

4、械剥蚀是复合材料烧蚀的一种晕要形式。由于基体和纤维的烧蚀率不同，烧蚀率低的纤维材料逐渐在材料表面形成突起。由于外流场的冲刷、剪切、漩涡分离等作用，突起将发生断裂脱落，这种剥蚀机制称为粒状剥蚀，如图1所示。外部气流加热下材料形成温度分布场，当超过某一温度时，纤维与基体的强度将趋于一致，几乎没有差别，这时材料呈现各向同性和低强度。烧蚀影响区域中，在材料的缺陷处易形成应力集中，进而引发成片的材料脱落【4】，称为片状剥蚀，如图2所示。图l粒状剥蚀示意图Fig．1Schematicdiagramofthegrainydenudati

5、on图2片状剥蚀／Ji意图Fig．2Schematicdiagramofthepiecedenudation在剥蚀过程中，热边界和几何边界都不断变化，因而分析和求解都很困难，并且剥蚀发生的区域相对于所考虑的流场区域较小，精确求解的计算难度和计算量都较大。通过对烧蚀区域粗糙度的测量和分析15】，发现随着烧蚀的进行，粗糙度具有较稳定的值。因此，以纤维突起的几何参数为变量，建立发生粒状剥蚀的判据是一种可行的、较好的收稿日期：2010．06．23；修回日期：2010．11．04作者简介：李干(1986一)，男，硕士研究生，主要从事

6、激光辐照的热学一力学效应研究。E—mail：ligan0001@gmail．com。748航天器环境工程第27卷办法。从引起粒状剥蚀和片状剥蚀的原因来看，片状剥蚀主要取决于材料的内部缺陷，随机性较大，因此F面将主要针对粒状剥蚀进行分析。2粒状剥蚀模型2．1纤维的稳态烧蚀复合材料中纤维的排布有多种方式，本文考虑纤维按垂直和平行于烧蚀面进行材料排布的方式。平行于烧蚀面的纤维在烧蚀过程中一层～层被烧蚀，因此剥蚀问题中仅考虑垂直于烧蚀面的纤维。垂直纤维被基体所包围，针对这种情况的的简化模型如图3所示。(a)C／C复合材料简化模型(

7、”纤维烧蚀简化模型图3烧蚀模型Fig．3Ablationmodels烧蚀试验中，靶材在烧蚀一段时间后其烧蚀速率都会趋于稳定，也可以认为靶材中纤维烧蚀后的形状也趋于稳定。为求出纤维烧蚀后的形状，需建立如下假设：1)纤维烧蚀形状趋于稳定；2)基体烧蚀后仍然保持垂直于烧蚀方向的平面，同时认为纤维和基体都是均匀和各向同性的。关于假设1)，可以通过在扩散问题研究中的应用得到验证【6，8】；在许多相关文献中也验证了假设2)的正确性【^Sl。此外，还认为烧蚀是由氧气扩散控制的，并且扩散速度满足浓度梯度分布律，所以氧气的质量守恒方程为筹丹

8、(伽Dc)乩(1)式中：C为氧气摩尔浓度；D为扩散系数。假设纤维形状为S，(，，z，t)=R(z，f)一r=0，基体位置为&(z，t)=h(t)-z=0，则知形状方程满足：要+吃．篮：o，Ⅲ，b。(2)式中：砭=嘿·以·元，瑶、以和露分别代表材料的摩尔体积、摩尔烧蚀率和当地法向速度；下标i取f和b，分别