防热复合材料烧蚀行为的数值模拟

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1、防热复合材料烧蚀行为的数值模拟碳在较低温度下首先氧化，一般在低于1000K时，，氧化过程是速率控制，烧烛速率由表面化学动力学决定。当温度超1700KS后，氧化速率急剧增加，烧蚀速率完全受氧化扩散控制，表面氧气被完全燃尽。在扩散控制的条件下，材料表面的烧蚀组元及空气组元满足表面的质量守恒原理和表面元素的热化学平衡原理。烧烛反应是一个多反应、多相变的复杂反应体系，对于复杂体系最终产物的确定，目前仍基于化学平衡的研究方法，对化学平衡，必须有一个适合的平衡判据。根据最小自由能原理，可以通过平衡常数使得体系中的各组元分压联系起来。

2、最小自由能原理一个化学反应体系中，化学反应大道平衡状态的判据是：各个化学组元的自由能的和为最小。吉布斯自由能作为自发过程的判据，主要确定了反应自发性与爛、焙以及温度之间的关系。热化学烧蚀理论可以通过热化学烧蚀理论分析和研究防热复合材料的烧蚀机理。热化学烧蚀理论可以研究组分材料的烧蚀，一般遵循质量守恒和能量守恒原理，通过这两条基本原理可以确定烧蚀复合材料质量损失率、环境参数、以及环境和材料之间的热交互关系。边界层控制方程研究高温气流通过烧蚀材料时，材料表面发生的化学变化。由于有空气组元的参与，这是一个开放系统下的化学反应计

3、算问题。一边情况下，在封闭系统中，m个化学反应，可以根据化学反应方程式写出m个控制方程，方程组是封闭的。对于开放系统，由于空气组元的加入使得表面组元个数大于方程个数，因此方程组是不封闭的。对此根据元素质量守恒原理，在求解化学反应产物分布方程组的过程中引入元组质量守恒方程来封闭方程组。控制方程:定解条件:化学平衡边界层理论最小自由能原理对于多组分的复杂反应体系，由于各组分Z间会发生化学反应和相变，所以要确定最终的产物组分。目前对烧蚀产物进行研究的时候，在实验方面主要通过光谱检测手段进行烧蚀产物的分析；在数值模拟方面，主要通

4、过化学平衡的方法进行分析研究。通过化学平衡对反应产物进行计算的时候必须选择一个正确的平衡判据。化学反应平衡的条件为：产物的化学势总和等于反应物的化学势总和。如果产物化学势和反应物化学势相等，则表明反应达到了平衡，即两相平衡时的化学势$muA'=mu$o在一个由n种化合物组成的化学反应的体系，其布斯口由能可表示为:nG=》血％1=1吉布斯自由能作为一个新的状态函数，其表达式定义如下:G=H-TS在等温的过程中：AG=AH-TAS在化学反应应用吉布斯■亥姆霍兹方程可得到:=^r^m~TArSm对于在标准状态下进行的化学反

5、应，则有:曲=△皿-T咼上述公式中，力4机和缶G代分别为化学反应的摩尔吉布斯自出能和标准摩尔吉布斯自由能，单位是。标准吉布斯自由能的主要应用有判断反应进行的限度和方向、估算反应自发进行的温度、制定合理的合成方法以及判断物质的稳定性等。对于化学反应你能否自发进行，其判定方法如下：对于化学反应发生在等温定压且系统不做非体积功条件下的情况，如果:•4GV0则化学反应过程能自发的进行;•4G=0则系统处于化学平衡状态;•4G>0则表示化学反应过程不能自发进行。对于化学反应发生在等温定压且系统不做非体积功的情况下，如果：•缶G祝<

6、0则化学反应过程能自发的进行；•ArGm=0则表示化学反应系统处于化学平衡状态且达到了化学反应的限度;ArGm>0则表示化学反应过程不能自发进行，逆过程自发。总结:类型^rSm^rGm=-ArSm反应的口发性1-+・反应均自发2+・+反应均非自发3-■低温・；高温+低温口发；高温非口发4++低温+;咼温・低温非自发；高温自发化学平衡化学平衡状态下最常用的参数是化学平衡常数。化学平衡常数定义：+bB<-->dD+eE疋二隔(。)/泸］"陽⑹/泸］”一［匕⑷/P导［&q(B)/p呼一［漏⑷/出严［Qq(B)/c吓°」Qq(D

7、)/c平［匕⑹/卩呼一［為⑷/凸严［Qq(B)/c吓上面式子中：各物质的分压分别是：艮q(D),匕@),匕(4),%9)；水溶液中各物质的浓度分别为:Ceq(D),Ceq(E),Ceq(A),Ceq(B)。C3fp°分别表示标准浓度和标准压力。烧蚀产物的分析对烧烛产物进行数值分析时，一般以宏观热化学烧烛理论来研究组分材料的热化学烧烛机理，最终耦合质量守恒关系式来确定在不同的壁面温度下热化学烧烛产物的分布状况。在对复合材料表面烧蚀产物进行分析计算时，主要是考虑空气组元和壁面组元之间的化学反应产物，例如对于碳基复合材料其主要

8、的化学反应有碳的氧化反应、升华反应以及碳氮反应。在数值分析计算时，建立的热化学烧烛模型还需要考虑体系中的组元个数，主要化学反应等，在计算结果的精度要求和计算过程的复杂性之间进行优化选择。一般建立热化学烧烛模型的原则是，在计算允许精度的范围内尽可能减少组元数。根据化学反应平衡基本原理，考虑化学反应在平衡条件下的反应产物