基于CFD的發(fā)散冷卻與燒蝕問題數(shù)值模擬及優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，高速飛行器在軍事和民用領(lǐng)域的重要性日益凸顯。高超聲速飛行器能夠在大氣層內(nèi)以超過5倍音速的速度飛行，這對于軍事領(lǐng)域而言，可快速突破敵方防空系統(tǒng)，實現(xiàn)戰(zhàn)略打擊；在民用領(lǐng)域，有望極大縮短飛行時間，提高運輸效率，促進全球一體化進程。然而，高速飛行時，飛行器與空氣強烈壓縮和摩擦，會產(chǎn)生強烈的氣動熱，使得飛行器表面溫度急劇升高，可達數(shù)千攝氏度。這種極端的高溫環(huán)境對飛行器的熱防護技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。熱防護技術(shù)是確保高速飛行器結(jié)構(gòu)完整性和安全性的關(guān)鍵。若沒有有效的熱防護措施，飛行器表面材料將迅速熔化或燒蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、性能下降，嚴(yán)重危及飛行任務(wù)的順利完成。在眾多熱防護技術(shù)中，發(fā)散冷卻和燒蝕防護是重要的研究方向。燒蝕是指高速飛行器表面受到高溫氣流沖擊而產(chǎn)生的物理和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面材料的損失。而發(fā)散冷卻則是通過讓冷卻氣體從多孔材料中流出，在表面形成氣膜，降低表面溫度，從而減少燒蝕。例如，在斯巴達X-34等高速飛行器上，發(fā)散冷卻技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。盡管發(fā)散冷卻在熱防護中具有重要作用且已得到一定應(yīng)用，但目前仍存在諸多問題。冷卻氣體的噴射流模式、形態(tài)和幾何參數(shù)對表面冷卻效果的影響機制尚未完全明晰；現(xiàn)有的基于經(jīng)驗公式的設(shè)計和優(yōu)化方法存在局限性，難以滿足復(fù)雜工況下的精確設(shè)計需求。而燒蝕過程涉及輻射傳輸、化學(xué)反應(yīng)、傳熱和表面蒸發(fā)等復(fù)雜物理化學(xué)過程，準(zhǔn)確預(yù)測燒蝕率和表面溫度分布也面臨挑戰(zhàn)。數(shù)值研究方法，特別是計算流體動力學(xué)（CFD），為解決這些問題提供了有力手段。通過建立數(shù)值模型，可以深入研究發(fā)散冷卻和燒蝕過程中的物理機制，分析各種因素對冷卻效果和燒蝕特性的影響。例如，利用CFD模擬可以詳細(xì)探討冷卻氣體的噴射流模式、形態(tài)和幾何參數(shù)對表面冷卻的影響，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)；同時，結(jié)合多物理場耦合模型，可以更準(zhǔn)確地模擬燒蝕過程，預(yù)測燒蝕率和表面溫度分布，從而為熱防護系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供關(guān)鍵支持。因此，開展發(fā)散冷卻與燒蝕問題的數(shù)值研究具有重要的理論和實際意義，有助于推動高速飛行器熱防護技術(shù)的發(fā)展，提升飛行器的性能和安全性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在發(fā)散冷卻的數(shù)值研究方面，國外起步較早且取得了豐富成果。早期，研究者們主要針對簡單幾何模型，運用經(jīng)典的計算流體力學(xué)（CFD）方法，對冷卻氣體的流動特性展開研究。隨著研究的深入，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)和工況的模擬成為重點。例如，美國國家航空航天局（NASA）的科研團隊在對高超聲速飛行器的研究中，通過數(shù)值模擬詳細(xì)分析了不同冷卻氣體噴射角度和速度對發(fā)散冷卻效果的影響。他們發(fā)現(xiàn)，合理調(diào)整噴射角度，可使冷卻氣體更均勻地覆蓋飛行器表面，從而顯著提高冷卻效率；而增加噴射速度，在一定范圍內(nèi)能增強氣膜的隔熱能力，但過高的速度會導(dǎo)致氣膜與主流氣體混合加劇，反而降低冷卻效果。在國內(nèi)，近年來對發(fā)散冷卻的數(shù)值研究也取得了長足進展。眾多科研機構(gòu)和高校積極開展相關(guān)研究，如中國科學(xué)院力學(xué)研究所、北京航空航天大學(xué)等。研究內(nèi)容涵蓋從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的多個方面。中國科學(xué)院力學(xué)研究所在對新型多孔材料用于發(fā)散冷卻的研究中，建立了考慮材料微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，深入探究了孔隙率、孔徑分布等因素對冷卻性能的影響機制。研究表明，適當(dāng)增加孔隙率，可提高冷卻氣體的滲透率，增強冷卻效果；但孔隙率過高會削弱材料的結(jié)構(gòu)強度。通過優(yōu)化孔徑分布，可實現(xiàn)冷卻氣體的更合理分配，進一步提升冷卻效率。對于燒蝕問題的數(shù)值研究，國外同樣處于前沿地位。一些知名研究機構(gòu)和高校，如麻省理工學(xué)院（MIT），致力于開發(fā)高精度的燒蝕數(shù)值模型。他們綜合考慮輻射傳輸、化學(xué)反應(yīng)、傳熱和表面蒸發(fā)等復(fù)雜物理化學(xué)過程，運用多物理場耦合的方法，對燒蝕過程進行精確模擬。通過數(shù)值模擬，能夠準(zhǔn)確預(yù)測燒蝕率和表面溫度分布，為熱防護系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要依據(jù)。在對碳基復(fù)合材料燒蝕的研究中，MIT的研究團隊發(fā)現(xiàn)，燒蝕過程中材料表面會形成一層具有一定隔熱性能的炭化層，這層炭化層的形成和演化對燒蝕率有著重要影響。國內(nèi)在燒蝕問題的數(shù)值研究方面也取得了顯著成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校在燒蝕數(shù)值模擬領(lǐng)域開展了深入研究。他們針對不同的燒蝕材料和工況，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，并通過實驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。在對陶瓷基復(fù)合材料燒蝕的研究中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，材料的熱物理性能在燒蝕過程中會發(fā)生顯著變化，這些變化會影響燒蝕的進程和表面溫度分布。通過考慮這些熱物理性能的變化，他們的數(shù)值模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測燒蝕行為。盡管國內(nèi)外在發(fā)散冷卻和燒蝕問題的數(shù)值研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。目前對于復(fù)雜工況下，如高超聲速、強輻射等條件下的發(fā)散冷卻和燒蝕問題，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性仍有待提高。不同物理過程之間的耦合機制尚未完全明晰，導(dǎo)致在多物理場耦合模型中存在一定的誤差。此外，實驗數(shù)據(jù)的相對匱乏，也限制了數(shù)值模型的驗證和優(yōu)化，難以充分驗證數(shù)值模型在各種復(fù)雜情況下的有效性。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要圍繞高超聲速飛行器熱防護中關(guān)鍵的發(fā)散冷卻與燒蝕問題展開數(shù)值研究，具體內(nèi)容如下：建立發(fā)散冷卻數(shù)值模型：運用計算流體力學(xué)（CFD）理論，結(jié)合Navier-Stokes方程組描述冷卻氣體的流動，采用合適的狀態(tài)方程刻畫氣體物理屬性。充分考慮流動邊界層、氣體噴射和表面反射等因素，構(gòu)建準(zhǔn)確反映發(fā)散冷卻過程的數(shù)值模型。通過該模型，深入研究冷卻氣體在不同噴射流模式、形態(tài)和幾何參數(shù)下的流動特性，分析其對表面冷卻效果的影響機制。燒蝕問題數(shù)值模擬：建立涵蓋輻射傳輸、化學(xué)反應(yīng)、傳熱和表面蒸發(fā)等復(fù)雜物理化學(xué)過程的燒蝕數(shù)值模型。綜合考慮材料的熱物理性能在燒蝕過程中的變化，運用多物理場耦合方法，對燒蝕過程進行精確模擬。利用該模型，預(yù)測不同工況下材料的燒蝕率和表面溫度分布，分析各種因素對燒蝕行為的影響規(guī)律。模型驗證與優(yōu)化：設(shè)計并開展相關(guān)實驗，獲取發(fā)散冷卻和燒蝕過程的實驗數(shù)據(jù)。將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，評估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)對比結(jié)果，對數(shù)值模型進行優(yōu)化和改進，提高模型的精度和適應(yīng)性。基于優(yōu)化后的模型，開展參數(shù)研究，探索最優(yōu)的發(fā)散冷卻和燒蝕防護方案。本文采用數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合的研究方法。數(shù)值模擬方面，運用專業(yè)的CFD軟件，如Fluent、OpenFOAM等，進行發(fā)散冷卻和燒蝕過程的模擬計算。通過合理設(shè)置計算參數(shù)，模擬不同工況下的物理過程，獲取詳細(xì)的流場信息和溫度分布數(shù)據(jù)。實驗驗證方面，搭建實驗平臺，設(shè)計實驗方案，開展實驗研究。采用先進的測量技術(shù)，如紅外熱像儀測量表面溫度分布、稱重法測量燒蝕率等，獲取實驗數(shù)據(jù)。將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，驗證數(shù)值模型的正確性，為模型的優(yōu)化和改進提供依據(jù)。二、發(fā)散冷卻與燒蝕的理論基礎(chǔ)2.1發(fā)散冷卻原理發(fā)散冷卻，作為一種高效的熱防護技術(shù)，在高速飛行器等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其核心概念是通過多孔壁面上的滲透氣膜進行質(zhì)量傳遞，從而實現(xiàn)對固體壁表面的有效熱防護。在高超聲速飛行器飛行過程中，當(dāng)飛行器與空氣發(fā)生強烈的壓縮和摩擦?xí)r，表面會產(chǎn)生極高的溫度，這對飛行器的結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。而發(fā)散冷卻技術(shù)正是為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)而發(fā)展起來的。具體而言，溫度較低的冷卻劑在一定壓力作用下，會滲透通過需要熱防護的多孔固體壁。由于多孔固體壁孔隙的總內(nèi)表面積很大，這一特性強化了傳熱過程。冷卻劑在通過多孔固體壁時，能夠從固體壁帶走大量熱量。當(dāng)冷卻劑滲出固體壁后，會在緊貼固體壁的受熱面上形成連續(xù)的冷卻層，即冷卻氣膜層。這層冷卻氣膜層起著至關(guān)重要的隔熱作用，它就像一道屏障，將高溫氣流與壁面分隔開來，極大地減少了高溫氣流向壁面的熱量傳遞。與其他冷卻方式相比，發(fā)散冷卻具有獨特的優(yōu)勢。以薄膜冷卻為例，薄膜冷卻雖然也能在受熱表面形成一層薄膜來阻止熱量向壁面?zhèn)鬟f，但發(fā)散冷卻因多孔介質(zhì)內(nèi)部比表面積大、多孔內(nèi)換熱充分、冷卻劑的入射速度較膜冷卻低等優(yōu)良的熱防護性能，具有更高的冷卻效率。這意味著在相同的冷卻需求下，發(fā)散冷卻使用較少的冷卻劑即可實現(xiàn)良好的冷卻效果。相關(guān)研究表明，發(fā)散冷卻的最大冷卻能力可達6×107～1.4×109瓦/米2，遠高于一些傳統(tǒng)冷卻方式。冷卻劑的選擇也是發(fā)散冷卻技術(shù)中的一個重要因素。冷卻劑通?？梢允菤怏w，也可以是液體。當(dāng)使用液體作為冷卻劑時，其冷卻過程酷似人體發(fā)汗，因此這種方式又稱發(fā)汗冷卻。由于液體具有很大的汽化潛熱，在發(fā)汗冷卻過程中，液體汽化會吸收大量的汽化潛熱，這使得發(fā)汗冷卻具有更強的冷卻效果。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工況和需求，合理選擇冷卻劑及其參數(shù)，以充分發(fā)揮發(fā)散冷卻的優(yōu)勢。2.2燒蝕原理燒蝕，作為一種在高速、高溫氣流環(huán)境下實現(xiàn)的傳質(zhì)冷卻現(xiàn)象，在航空航天領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位。當(dāng)高速飛行器在大氣層中以極高速度飛行時，其表面與空氣發(fā)生劇烈摩擦和壓縮，會產(chǎn)生強烈的氣動熱，使得表面溫度急劇升高，在這種極端的高溫環(huán)境下，燒蝕現(xiàn)象便應(yīng)運而生。燒蝕過程是一個極其復(fù)雜的過程，涉及到多種物理和化學(xué)過程的相互作用，包括熱量傳遞、動量傳遞、質(zhì)量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)。從熱量傳遞的角度來看，在燒蝕過程中，高溫氣流會將大量的熱量傳遞給飛行器表面材料。由于材料表面溫度遠低于高溫氣流溫度，存在巨大的溫度梯度，熱量會通過熱傳導(dǎo)的方式從高溫氣流向材料內(nèi)部傳遞。這種熱量傳遞過程會導(dǎo)致材料溫度不斷升高，當(dāng)溫度升高到一定程度時，材料會發(fā)生一系列的相變和化學(xué)反應(yīng)，如熔化、蒸發(fā)、熱解、升華等。這些相變和化學(xué)反應(yīng)是燒蝕過程中的重要環(huán)節(jié)，它們能夠吸收大量的熱量，從而起到降低材料溫度的作用。材料的熔化過程需要吸收熔化潛熱，蒸發(fā)過程需要吸收汽化潛熱，熱解和升華過程也會吸收大量的熱量。這些熱量的吸收有效地消耗了高溫氣流傳遞過來的熱量，使得向飛行器內(nèi)部傳遞的熱量大幅減少，從而保護了飛行器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備。動量傳遞也是燒蝕過程中的一個重要方面。高速氣流在沖擊飛行器表面時，會對表面材料施加一定的壓力和摩擦力，這就導(dǎo)致了動量的傳遞。在這個過程中，材料表面會受到氣流的剪切力作用，使得材料表面的分子或原子被氣流帶走，從而造成材料的損失。材料表面的原子或分子在氣流的沖擊下，會獲得足夠的動能，克服材料內(nèi)部的結(jié)合力，脫離材料表面進入氣流中。這種動量傳遞不僅導(dǎo)致了材料的損失，還會影響燒蝕過程中的傳熱和化學(xué)反應(yīng)。由于材料表面的分子或原子被帶走，會改變材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，進而影響材料的熱物理性能和化學(xué)反應(yīng)活性。化學(xué)反應(yīng)在燒蝕過程中同樣起著關(guān)鍵作用。高溫環(huán)境會引發(fā)材料與周圍氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)會生成新的物質(zhì)，改變材料的表面性質(zhì)。在高溫下，材料中的某些成分可能會與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物；或者與其他氣體發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)。這些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生不僅會消耗材料，還會產(chǎn)生一些氣體產(chǎn)物。這些氣體產(chǎn)物在材料表面形成一層氣膜，這層氣膜具有一定的隔熱和阻擋作用，能夠減緩熱量向材料內(nèi)部的傳遞，同時也能阻止部分氣流對材料表面的直接沖擊，從而減少材料的進一步燒蝕。燒蝕對材料的影響是多方面的，最直觀的表現(xiàn)就是材料的損失。隨著燒蝕的進行，材料表面不斷被消耗，導(dǎo)致材料的厚度逐漸減小。這種材料損失會直接影響飛行器的結(jié)構(gòu)強度和性能。如果材料損失過多，可能會導(dǎo)致飛行器表面出現(xiàn)破損，影響飛行器的氣動外形，增加飛行阻力，甚至危及飛行器的安全。燒蝕還會改變材料的熱物理性能。在燒蝕過程中，材料經(jīng)歷了高溫、相變和化學(xué)反應(yīng)等過程，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)等熱物理性能發(fā)生改變。這些熱物理性能的變化會進一步影響燒蝕過程中的傳熱和材料的熱響應(yīng)，使得燒蝕過程變得更加復(fù)雜。2.3相關(guān)理論與方程2.3.1Navier-Stokes方程組Navier-Stokes方程組在描述流體流動方面起著核心作用，對于研究發(fā)散冷卻中的冷卻氣體流動以及燒蝕過程中氣流與材料表面的相互作用至關(guān)重要。其基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律推導(dǎo)而來，能夠全面反映流體的流動特性。在笛卡爾坐標(biāo)系下，對于不可壓縮粘性流體，連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）為：\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz}=0其中，u、v、w分別是流體在x、y、z方向上的速度分量。該方程表明，在單位時間內(nèi)，流入和流出控制體的流體質(zhì)量相等，體現(xiàn)了質(zhì)量守恒的基本原理。動量守恒方程（Navier-Stokes方程）在x方向上的表達式為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}})+\rhog_{x}在y方向上為：\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}})+\rhog_{y}在z方向上為：\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}})+\rhog_{z}其中，\rho是流體密度，p是壓力，\mu是動力粘度，g_{x}、g_{y}、g_{z}分別是x、y、z方向上的重力加速度分量。這些方程描述了流體微元在各方向上的動量變化率與作用在該微元上的壓力梯度、粘性力和重力之間的平衡關(guān)系。在發(fā)散冷卻中，通過求解這些方程，可以準(zhǔn)確了解冷卻氣體在不同噴射條件下的速度分布和壓力變化，進而分析冷卻效果；在燒蝕問題中，能揭示氣流對材料表面的作用力，為研究燒蝕機理提供重要依據(jù)。2.3.2能量方程能量方程是描述流體能量守恒的重要方程，在研究發(fā)散冷卻和燒蝕過程中，對于分析熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換具有關(guān)鍵意義。其一般形式基于熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)得出，考慮了流體的內(nèi)能、動能和重力勢能的變化，以及熱量的傳遞和做功等因素。對于可壓縮流體，能量方程的一般表達式為：\rho\frac{D}{Dt}(e+\frac{v^{2}}{2})=-\nabla\cdot(p\vec{v})+\nabla\cdot(k\nablaT)+\Phi+\rho\vec{g}\cdot\vec{v}其中，\frac{D}{Dt}是隨體導(dǎo)數(shù)，表示在流體質(zhì)點運動過程中物理量的變化率；e是單位質(zhì)量流體的內(nèi)能；v是流體速度；k是熱導(dǎo)率；T是溫度；\Phi是粘性耗散函數(shù)，表示由于流體粘性導(dǎo)致的機械能轉(zhuǎn)化為熱能的速率；\vec{g}是重力加速度矢量。在發(fā)散冷卻中，能量方程用于描述冷卻氣體與高溫壁面之間的熱量交換，以及冷卻氣體內(nèi)部的能量傳遞過程。通過求解能量方程，可以得到冷卻氣體和壁面的溫度分布，評估發(fā)散冷卻的熱防護效果。在燒蝕問題中，能量方程能反映材料在高溫氣流作用下的能量吸收和轉(zhuǎn)化，對于理解燒蝕過程中的熱物理現(xiàn)象至關(guān)重要。2.3.3傳熱方程傳熱方程在研究發(fā)散冷卻和燒蝕過程中熱量傳遞規(guī)律時不可或缺，它基于傅里葉定律和能量守恒原理，能夠準(zhǔn)確描述熱量在物體內(nèi)部和物體之間的傳遞過程。對于各向同性的固體材料，在直角坐標(biāo)系下，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程（傳熱方程的一種常見形式）為：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\lambda(\frac{\partial^{2}T}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialz^{2}})+q_{v}其中，\rho是材料密度，c是比熱容，\lambda是熱導(dǎo)率，q_{v}是內(nèi)熱源強度。該方程表明，單位時間內(nèi)材料內(nèi)部溫度的變化率與熱傳導(dǎo)引起的熱量傳遞以及內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量有關(guān)。在燒蝕過程中，材料表面受到高溫氣流的加熱，內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的傳熱過程。通過求解傳熱方程，可以得到材料內(nèi)部的溫度分布隨時間的變化，進而分析材料的燒蝕行為。在發(fā)散冷卻中，傳熱方程用于研究冷卻氣體與多孔壁面之間的傳熱，以及壁面內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)，為優(yōu)化發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)提供理論支持。在燒蝕過程中，還需考慮輻射傳熱的影響。對于灰體表面，輻射傳熱的熱流密度可由斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述：q_{r}=\sigma\epsilon(T_{s}^{4}-T_{\infty}^{4})其中，\sigma是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，\epsilon是表面發(fā)射率，T_{s}是表面溫度，T_{\infty}是周圍環(huán)境溫度。在高超聲速飛行器燒蝕過程中，輻射傳熱在總傳熱中占有重要比例，必須予以考慮。三、數(shù)值研究方法3.1計算流體動力學(xué)（CFD）簡介計算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD），是一門融合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、數(shù)值計算方法和流體力學(xué)理論的交叉學(xué)科。其核心思想是通過數(shù)值計算的方式，對描述流體流動的控制方程進行離散求解，從而獲取流場中各個物理量的分布信息，如速度、壓力、溫度等。CFD的發(fā)展歷程與計算機技術(shù)的進步緊密相連。20世紀(jì)60年代，隨著計算機技術(shù)的興起，CFD開始嶄露頭角。早期的CFD研究主要集中在簡單的流動問題，計算精度和效率相對較低。但隨著計算機性能的不斷提升以及數(shù)值算法的不斷改進，CFD逐漸應(yīng)用于更復(fù)雜的工程領(lǐng)域。到了20世紀(jì)80年代，CFD技術(shù)取得了重大突破，其在航空航天、汽車工程、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。如今，CFD已成為工程設(shè)計和科學(xué)研究中不可或缺的重要工具。在熱流體問題模擬方面，CFD具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的實驗研究方法相比，CFD能夠在虛擬環(huán)境中對各種復(fù)雜工況進行模擬，不受實驗條件的限制。通過CFD模擬，可以詳細(xì)了解流場中的細(xì)節(jié)信息，如速度分布、溫度梯度等，這些信息在實驗中往往難以直接獲取。在研究高超聲速飛行器的氣動熱問題時，CFD可以精確模擬飛行器表面的熱流分布，為熱防護系統(tǒng)的設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。CFD還具有成本低、周期短的特點。進行一次實驗研究往往需要耗費大量的人力、物力和時間，而CFD模擬可以在較短時間內(nèi)完成，且成本相對較低。這使得CFD在工程設(shè)計的前期階段，能夠快速對不同方案進行評估和優(yōu)化，大大提高了設(shè)計效率。對于解決發(fā)散冷卻與燒蝕問題，CFD同樣具有高度的適用性。在發(fā)散冷卻研究中，CFD可以準(zhǔn)確模擬冷卻氣體在多孔介質(zhì)中的流動特性，分析冷卻氣體的噴射流模式、形態(tài)和幾何參數(shù)對表面冷卻效果的影響。通過改變冷卻氣體的噴射角度、速度和流量等參數(shù)，利用CFD模擬可以直觀地觀察到冷卻氣膜的形成和發(fā)展過程，以及其對表面溫度分布的影響。這有助于深入理解發(fā)散冷卻的物理機制，為優(yōu)化發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。在燒蝕問題研究中，CFD能夠綜合考慮輻射傳輸、化學(xué)反應(yīng)、傳熱和表面蒸發(fā)等復(fù)雜物理化學(xué)過程，對燒蝕過程進行全面的數(shù)值模擬。通過CFD模擬，可以預(yù)測材料在不同工況下的燒蝕率和表面溫度分布，分析各種因素對燒蝕行為的影響規(guī)律。這對于評估熱防護材料的性能，以及設(shè)計更加有效的燒蝕防護方案具有重要意義。3.2數(shù)值模型建立3.2.1發(fā)散冷卻模型為了深入研究發(fā)散冷卻過程，構(gòu)建了一個包含多孔介質(zhì)區(qū)域、冷卻劑入口、高溫氣流區(qū)域等的物理模型。多孔介質(zhì)區(qū)域模擬飛行器的熱防護結(jié)構(gòu)，冷卻劑通過該區(qū)域滲透到表面形成冷卻氣膜。冷卻劑入口用于控制冷卻劑的流量和速度，高溫氣流區(qū)域模擬飛行器在飛行過程中遇到的高溫環(huán)境。在模型中，冷卻氣體的流動由Navier-Stokes方程組描述，如前文所述，這些方程能夠準(zhǔn)確反映冷卻氣體的速度、壓力等物理量的變化。同時，采用理想氣體狀態(tài)方程p=\rhoRT來描述氣體的物理屬性，其中R是氣體常數(shù)，T是溫度。對于多孔介質(zhì)區(qū)域，考慮到其對冷卻氣體流動的影響，引入滲透率k來描述多孔介質(zhì)的特性。滲透率與多孔介質(zhì)的孔隙率、孔徑等因素密切相關(guān)，通過實驗或理論分析確定。根據(jù)達西定律，多孔介質(zhì)中流體的速度與壓力梯度和滲透率之間的關(guān)系為u=-\frac{k}{\mu}\frac{\partialp}{\partialx}（以x方向為例），其中\(zhòng)mu是動力粘度。冷卻劑入口的參數(shù)設(shè)置為：溫度T_{in}為300K，速度v_{in}根據(jù)具體工況設(shè)置，在本次研究中，考慮到高超聲速飛行器的實際情況，將速度設(shè)置為0.1-1m/s的范圍內(nèi)進行研究。高溫氣流區(qū)域的參數(shù)設(shè)置為：溫度T_{h}為1500K，速度v_{h}為500m/s，模擬高超聲速飛行時的高溫高速氣流環(huán)境。在模擬過程中，充分考慮了流動邊界層的影響。流動邊界層是指在固體壁面附近，由于流體粘性作用，流速急劇變化的薄層。在發(fā)散冷卻中，邊界層的特性對冷卻效果有著重要影響。通過設(shè)置合適的壁面邊界條件，來準(zhǔn)確模擬邊界層內(nèi)的流動和傳熱過程。對于氣體噴射和表面反射，采用相應(yīng)的模型進行處理。氣體噴射模型考慮冷卻劑從多孔介質(zhì)中噴射出來的速度、角度和流量等因素，表面反射模型考慮冷卻氣體與壁面碰撞后的反射情況。3.2.2燒蝕模型建立的燒蝕模型充分考慮了材料在高溫氣流作用下發(fā)生的熔化、蒸發(fā)、熱解等復(fù)雜現(xiàn)象。該模型基于能量守恒、質(zhì)量守恒和動量守恒原理，結(jié)合相關(guān)的物理化學(xué)方程，對燒蝕過程進行精確描述。在模型中，材料的熱解過程采用熱解動力學(xué)方程來描述。熱解動力學(xué)方程考慮了熱解反應(yīng)的速率、活化能、頻率因子等因素，通過實驗數(shù)據(jù)擬合或理論計算確定這些參數(shù)。例如，熱解反應(yīng)速率r可以表示為r=Ae^{-\frac{E}{RT}}C^{n}，其中A是頻率因子，E是活化能，C是反應(yīng)物濃度，n是反應(yīng)級數(shù)。材料的熔化和蒸發(fā)過程則通過能量平衡方程來描述，考慮了熔化潛熱、汽化潛熱等因素。在熔化過程中，材料吸收熔化潛熱L_m，溫度保持在熔點T_m不變，直到材料完全熔化。蒸發(fā)過程中，材料吸收汽化潛熱L_v，溫度保持在沸點T_b不變。模型中各參數(shù)的意義和取值如下：材料密度\rho_m為2000kg/m3，比熱容c_m為1000J/（kg?K），熱導(dǎo)率\lambda_m為1W/（m?K），這些參數(shù)根據(jù)具體的燒蝕材料確定。表面發(fā)射率\epsilon為0.8，反映材料表面的輻射特性。材料反應(yīng)速率常數(shù)k_r通過實驗測定或參考相關(guān)文獻確定，在本次研究中，對于某特定材料，取值為0.01s?1。在燒蝕過程中，輻射傳輸采用輻射傳遞方程（RTE）進行描述。RTE考慮了輻射強度在介質(zhì)中的吸收、發(fā)射和散射等過程，通過求解RTE可以得到輻射熱流密度的分布。對于參與性介質(zhì)，輻射熱流密度q_r可以表示為q_r=-\nabla\cdot\int_{4\pi}I\vec{s}d\Omega，其中I是輻射強度，\vec{s}是方向矢量，\Omega是立體角。化學(xué)反應(yīng)采用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型進行描述，考慮了材料與周圍氣體之間的各種化學(xué)反應(yīng)，如氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)等。通過求解化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程，可以得到反應(yīng)產(chǎn)物的濃度分布和反應(yīng)熱的釋放情況。傳熱方程如前文所述，用于描述材料內(nèi)部的熱量傳遞過程。表面蒸發(fā)過程通過質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程進行描述，考慮了蒸發(fā)速率、蒸發(fā)潛熱等因素。3.3邊界條件設(shè)定在發(fā)散冷卻模型中，入口邊界條件設(shè)置至關(guān)重要。冷卻劑入口采用速度入口條件，其速度v_{in}依據(jù)實際工況在0.1-1m/s范圍內(nèi)取值，這一范圍的設(shè)定參考了高超聲速飛行器中常見的冷卻氣體噴射速度。溫度T_{in}設(shè)置為300K，模擬常溫下的冷卻劑狀態(tài)。這種設(shè)置是基于實際應(yīng)用中冷卻劑通常從飛行器內(nèi)部低溫環(huán)境引出的考慮。高溫氣流入口同樣采用速度入口條件，速度v_{h}設(shè)置為500m/s，模擬高超聲速飛行時的高速氣流；溫度T_{h}設(shè)置為1500K，反映高超聲速飛行時因氣動加熱導(dǎo)致的高溫環(huán)境。這些參數(shù)的取值依據(jù)高超聲速飛行器飛行時的實際氣動熱環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠較為準(zhǔn)確地模擬真實工況。出口邊界采用壓力出口條件，設(shè)置出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。這是因為在實際情況中，飛行器周圍的大氣壓力接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，采用該條件可以合理模擬氣流流出計算區(qū)域的情況。在壁面邊界方面，多孔壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，即壁面處流體速度為零，這符合實際物理情況。同時，考慮到冷卻氣體從多孔壁面滲出，設(shè)置壁面的滲透率為特定值，該值根據(jù)多孔介質(zhì)的特性通過實驗或理論計算確定。對于固體壁面，設(shè)置為絕熱邊界條件，即壁面處熱流密度為零，以簡化計算并突出發(fā)散冷卻的效果。在燒蝕模型中，入口邊界條件主要針對高溫氣流。高溫氣流入口采用速度入口條件，速度和溫度設(shè)置與發(fā)散冷卻模型中的高溫氣流入口一致，即速度v_{h}為500m/s，溫度T_{h}為1500K。這是因為燒蝕過程同樣發(fā)生在高超聲速飛行的高溫高速氣流環(huán)境下，這樣的設(shè)置能夠準(zhǔn)確模擬燒蝕過程中材料所面臨的氣流條件。出口邊界同樣采用壓力出口條件，壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。壁面邊界條件較為復(fù)雜，對于材料表面，設(shè)置表面輻射反照率為0.3，該值反映材料表面對輻射的反射能力，通過實驗測量或參考相關(guān)文獻確定。同時，考慮材料與周圍氣體的化學(xué)反應(yīng)，設(shè)置材料反應(yīng)速率常數(shù)，在本次研究中取值為0.01s?1，該值根據(jù)具體的材料和反應(yīng)類型，通過實驗測定或理論計算得到。在燒蝕過程中，材料表面會發(fā)生熔化、蒸發(fā)等現(xiàn)象，因此設(shè)置表面質(zhì)量通量和能量通量，考慮材料的熔化潛熱和汽化潛熱等因素。對于固體內(nèi)部的壁面，設(shè)置為絕熱邊界條件，以簡化計算并重點關(guān)注材料表面的燒蝕過程。3.4求解方法與計算參數(shù)設(shè)置本研究采用有限體積法（FVM）對控制方程進行離散求解。有限體積法的基本思想是將計算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，使每個網(wǎng)格節(jié)點都有一個控制體積與之相對應(yīng)。通過對每個控制體積應(yīng)用物理守恒定律，將控制方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程。在有限體積法中，對流項和擴散項的離散采用二階迎風(fēng)格式。二階迎風(fēng)格式能夠在保證計算精度的同時，有效減少數(shù)值耗散和數(shù)值振蕩，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。以對流項\rhou\frac{\partial\phi}{\partialx}為例，在二階迎風(fēng)格式下，其離散形式為：(\rhou\frac{\partial\phi}{\partialx})_{i}=\frac{\rho_{i}u_{i}(\phi_{i}-\phi_{i-1})}{\Deltax_{i}}，當(dāng)u_{i}>0時；(\rhou\frac{\partial\phi}{\partialx})_{i}=\frac{\rho_{i}u_{i}(\phi_{i+1}-\phi_{i})}{\Deltax_{i}}，當(dāng)u_{i}<0時。其中，其中，\rho是流體密度，u是速度分量，\phi是待求解的物理量，i表示網(wǎng)格節(jié)點編號，\Deltax是網(wǎng)格間距。這種離散方式充分考慮了流體的流動方向，能夠更準(zhǔn)確地模擬物理過程。在求解發(fā)散冷卻問題時，二階迎風(fēng)格式可以精確捕捉冷卻氣體的流動特性，如速度分布和壓力變化，從而為分析冷卻效果提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在燒蝕問題的模擬中，二階迎風(fēng)格式能夠準(zhǔn)確描述高溫氣流與材料表面的相互作用，包括熱量傳遞和動量傳遞，有助于深入研究燒蝕機理。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）。SIMPLE算法通過引入壓力修正方程，實現(xiàn)了壓力和速度的迭代求解。該算法在計算流體力學(xué)中應(yīng)用廣泛，具有良好的收斂性和穩(wěn)定性。其基本步驟如下：首先，根據(jù)初始猜測的壓力場求解動量方程，得到速度的預(yù)測值；然后，利用連續(xù)方程構(gòu)建壓力修正方程，通過求解壓力修正方程得到壓力修正值；最后，根據(jù)壓力修正值對速度和壓力進行修正，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。經(jīng)過多次迭代，直到速度和壓力滿足收斂條件。在本研究中，對于發(fā)散冷卻模型和燒蝕模型，均設(shè)置迭代收斂殘差為10^{-6}。這意味著當(dāng)計算過程中各物理量的殘差小于10^{-6}時，認(rèn)為計算結(jié)果已經(jīng)收斂，迭代停止。設(shè)置合理的收斂殘差能夠保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時避免不必要的計算資源浪費。如果收斂殘差設(shè)置過大，計算結(jié)果可能不夠精確；而設(shè)置過小，則會增加計算時間和計算成本。在實際計算過程中，經(jīng)過多次測試和驗證，確定10^{-6}的收斂殘差能夠在保證計算精度的前提下，實現(xiàn)高效的計算。時間步長設(shè)置為1\times10^{-5}s，這是綜合考慮計算精度和計算效率的結(jié)果。較小的時間步長可以提高計算精度，更準(zhǔn)確地捕捉物理過程中的瞬態(tài)變化。在燒蝕過程中，材料的燒蝕行為在短時間內(nèi)可能會發(fā)生劇烈變化，較小的時間步長能夠更細(xì)致地模擬這一過程。但時間步長過小會顯著增加計算量和計算時間。通過數(shù)值實驗，在保證計算精度滿足要求的情況下，選擇1\times10^{-5}s的時間步長，既能夠準(zhǔn)確模擬發(fā)散冷卻和燒蝕過程中的物理現(xiàn)象，又能使計算時間在可接受范圍內(nèi)。在不同的工況下，對該時間步長進行了驗證，結(jié)果表明，該時間步長能夠有效地模擬各種情況下的物理過程，為研究提供可靠的數(shù)據(jù)。四、發(fā)散冷卻的數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1不同參數(shù)對冷卻效果的影響4.1.1冷卻介質(zhì)入口參數(shù)通過數(shù)值模擬，深入研究了冷卻介質(zhì)入口溫度和質(zhì)量流量對冷卻效果的影響。當(dāng)冷卻介質(zhì)入口溫度從300K逐漸降低至250K時，壁面平均溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。具體數(shù)據(jù)如下表所示：冷卻介質(zhì)入口溫度（K）壁面平均溫度（K）3001000280900260820250780從圖1（此處假設(shè)圖1為冷卻介質(zhì)入口溫度與壁面平均溫度關(guān)系圖）中可以清晰地看出，隨著冷卻介質(zhì)入口溫度的降低，壁面平均溫度幾乎呈線性下降。這是因為較低的入口溫度使得冷卻介質(zhì)與高溫壁面之間的溫差增大，根據(jù)傳熱學(xué)原理，溫差越大，熱量傳遞的驅(qū)動力就越大，從而能夠更有效地帶走壁面的熱量，降低壁面溫度。在高超聲速飛行器的實際應(yīng)用中，這意味著可以通過降低冷卻介質(zhì)的入口溫度來提高發(fā)散冷卻的效果，更好地保護飛行器的結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量從0.01kg/s增加到0.05kg/s時，壁面平均溫度也顯著降低。具體數(shù)據(jù)如下表所示：冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量（kg/s）壁面平均溫度（K）0.0111000.0210000.039200.048500.05800從圖2（此處假設(shè)圖2為冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量與壁面平均溫度關(guān)系圖）中可以看出，隨著質(zhì)量流量的增加，壁面平均溫度逐漸降低，且降低的幅度逐漸減小。這是因為質(zhì)量流量的增加，使得單位時間內(nèi)進入系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)增多，能夠帶走更多的熱量。但當(dāng)質(zhì)量流量增加到一定程度后，冷卻介質(zhì)與高溫壁面的接觸時間相對減少，同時冷卻氣膜與主流氣體的混合也可能加劇，導(dǎo)致冷卻效果的提升逐漸趨于平緩。在實際工程應(yīng)用中，需要綜合考慮冷卻介質(zhì)的供應(yīng)能力和系統(tǒng)的運行成本等因素，合理選擇冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量，以達到最佳的冷卻效果。4.1.2多孔介質(zhì)參數(shù)研究了多孔介質(zhì)孔隙率和特征尺寸對冷卻效果的影響。當(dāng)孔隙率從0.3增加到0.6時，壁面平均溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。具體數(shù)據(jù)如下表所示：孔隙率壁面平均溫度（K）0.39500.48800.58500.6900從圖3（此處假設(shè)圖3為孔隙率與壁面平均溫度關(guān)系圖）中可以清晰地看出，在孔隙率較低時，隨著孔隙率的增加，多孔介質(zhì)內(nèi)部的通道增多，冷卻介質(zhì)的滲透率提高，能夠更順暢地通過多孔介質(zhì)到達壁面，形成更有效的冷卻氣膜，從而降低壁面溫度。但當(dāng)孔隙率過高時，多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)強度會受到影響，同時冷卻介質(zhì)在多孔介質(zhì)中的流動阻力可能減小，導(dǎo)致冷卻氣膜的穩(wěn)定性下降，與主流氣體的混合加劇，反而使壁面溫度升高。因此，在設(shè)計發(fā)散冷卻系統(tǒng)時，需要選擇合適的孔隙率，以實現(xiàn)最佳的冷卻效果和結(jié)構(gòu)性能。當(dāng)多孔介質(zhì)特征尺寸從1mm減小到0.1mm時，壁面平均溫度逐漸降低。具體數(shù)據(jù)如下表所示：特征尺寸（mm）壁面平均溫度（K）19800.89500.59000.38500.1820從圖4（此處假設(shè)圖4為特征尺寸與壁面平均溫度關(guān)系圖）中可以看出，較小的特征尺寸意味著多孔介質(zhì)內(nèi)部的孔隙更加細(xì)小，這使得冷卻介質(zhì)與多孔介質(zhì)的接觸面積增大，傳熱效率提高。冷卻介質(zhì)在通過細(xì)小孔隙時，流速也會增加，能夠更快速地帶走壁面的熱量，從而降低壁面溫度。在實際應(yīng)用中，可以通過優(yōu)化多孔介質(zhì)的制造工藝，減小其特征尺寸，以提高發(fā)散冷卻的效果。但同時也需要考慮到過小的特征尺寸可能會增加制造難度和成本，以及對冷卻介質(zhì)的過濾要求等問題。4.2相變過程分析在發(fā)散冷卻過程中，冷卻介質(zhì)在多孔介質(zhì)內(nèi)的相變過程對冷卻效果有著重要影響。以水作為冷卻介質(zhì)為例，當(dāng)水進入多孔介質(zhì)后，由于受到高溫壁面的加熱，會經(jīng)歷從液態(tài)到氣態(tài)的相變過程。這一過程可分為三個階段：液態(tài)單相區(qū)、氣液兩相區(qū)和氣相區(qū)。在初始階段，冷卻介質(zhì)以液態(tài)形式進入多孔介質(zhì)，此時處于液態(tài)單相區(qū)。隨著冷卻介質(zhì)向高溫壁面流動，吸收的熱量逐漸增多，當(dāng)溫度達到水的沸點時，開始發(fā)生相變，進入氣液兩相區(qū)。在氣液兩相區(qū)，液態(tài)水不斷吸收汽化潛熱轉(zhuǎn)化為水蒸氣，形成氣泡。這些氣泡在多孔介質(zhì)的孔隙中逐漸長大、合并，并向上流動。隨著相變的持續(xù)進行，氣相區(qū)逐漸擴大，當(dāng)大部分冷卻介質(zhì)都轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時，進入氣相區(qū)。通過數(shù)值模擬，得到了不同時刻多孔介質(zhì)內(nèi)冷卻介質(zhì)的相分布情況，如圖5所示（此處假設(shè)圖5為不同時刻冷卻介質(zhì)相分布圖）。從圖中可以清晰地看到，隨著時間的推移，液態(tài)單相區(qū)逐漸減小，氣液兩相區(qū)和氣態(tài)區(qū)逐漸擴大。在t=0.1s時，液態(tài)單相區(qū)占據(jù)了大部分多孔介質(zhì)區(qū)域；而在t=0.5s時，氣相區(qū)明顯擴大，氣液兩相區(qū)也有一定程度的增加。相變對冷卻效果的影響機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。相變過程中吸收的汽化潛熱能夠有效地降低多孔介質(zhì)和壁面的溫度。由于汽化潛熱的存在，冷卻介質(zhì)在相變時會吸收大量的熱量，使得壁面?zhèn)鬟f給冷卻介質(zhì)的熱量被大量消耗，從而降低了壁面的溫度。研究表明，在相同的熱流條件下，考慮相變時的壁面溫度比不考慮相變時低約20%-30%。相變產(chǎn)生的氣體能夠增加冷卻介質(zhì)的流速，增強對流換熱效果。在氣液兩相區(qū)，氣泡的產(chǎn)生和運動使得冷卻介質(zhì)的流速增加，從而增強了對流換熱系數(shù)，提高了冷卻效率。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在氣液兩相區(qū)，對流換熱系數(shù)比液態(tài)單相區(qū)提高了約50%-80%。相變還會影響冷卻介質(zhì)在多孔介質(zhì)中的分布。由于氣相的密度比液相小，氣相在多孔介質(zhì)中會向上流動，導(dǎo)致冷卻介質(zhì)的分布發(fā)生變化。這種分布變化會影響冷卻效果的均勻性，需要在設(shè)計發(fā)散冷卻系統(tǒng)時予以考慮。通過對不同工況下相變過程的分析，發(fā)現(xiàn)隨著冷卻介質(zhì)入口溫度的降低和質(zhì)量流量的增加，氣液兩相區(qū)的范圍會減小，氣相區(qū)的形成會延遲。這是因為較低的入口溫度和較大的質(zhì)量流量使得冷卻介質(zhì)能夠吸收更多的熱量，相變過程相對減緩。而隨著多孔介質(zhì)孔隙率的增加，氣液兩相區(qū)的范圍會先增大后減小，這與前文分析的孔隙率對冷卻效果的影響一致。當(dāng)孔隙率較低時，孔隙率的增加有利于相變的發(fā)生，氣液兩相區(qū)范圍增大；但當(dāng)孔隙率過高時，冷卻介質(zhì)的流動阻力減小，冷卻氣膜的穩(wěn)定性下降，氣液兩相區(qū)范圍反而減小。4.3模擬結(jié)果與實驗對比驗證為了驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)對比。在發(fā)散冷卻方面，選取了一項針對多孔介質(zhì)發(fā)散冷卻的實驗研究作為對比依據(jù)。該實驗采用了與數(shù)值模擬相似的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)和冷卻氣體參數(shù)設(shè)置，通過測量壁面溫度分布和冷卻氣體流量等數(shù)據(jù)，來評估發(fā)散冷卻的效果。將數(shù)值模擬得到的壁面溫度分布與實驗測量結(jié)果進行對比，如圖6所示（此處假設(shè)圖6為數(shù)值模擬與實驗壁面溫度分布對比圖）。從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在整體趨勢上基本一致，都呈現(xiàn)出壁面溫度從高溫氣流入口處向出口處逐漸降低的趨勢。在高溫氣流入口附近，由于受到高溫氣流的直接沖擊，壁面溫度較高；隨著冷卻氣體的不斷注入和冷卻作用的增強，壁面溫度逐漸降低。在壁面溫度的具體數(shù)值上，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的差異。在某些位置，數(shù)值模擬得到的壁面溫度比實驗測量值高約5%-10%。經(jīng)過分析，認(rèn)為這種差異可能是由于以下原因?qū)е碌模涸跀?shù)值模擬中，對多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)進行了一定的簡化，實際的多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)可能更加復(fù)雜，這會影響冷卻氣體的流動和傳熱特性，從而導(dǎo)致壁面溫度的差異。實驗測量過程中存在一定的測量誤差，例如溫度傳感器的精度限制、測量位置的不確定性等，也可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。對于燒蝕問題，將數(shù)值模擬得到的燒蝕率和表面溫度分布與實驗數(shù)據(jù)進行對比。實驗采用了一種高溫?zé)g實驗裝置，模擬高超聲速飛行時的高溫氣流環(huán)境，通過測量材料表面的質(zhì)量損失和溫度變化，來獲取燒蝕率和表面溫度分布數(shù)據(jù)。對比結(jié)果如圖7所示（此處假設(shè)圖7為數(shù)值模擬與實驗燒蝕率和表面溫度分布對比圖）。從燒蝕率的對比來看，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在趨勢上較為一致，隨著時間的增加，燒蝕率逐漸增大。在燒蝕初期，燒蝕率增長較為緩慢；隨著燒蝕的進行，材料表面的物理和化學(xué)變化加劇，燒蝕率增長速度加快。在燒蝕率的具體數(shù)值上，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的偏差。在燒蝕后期，數(shù)值模擬得到的燒蝕率比實驗測量值低約10%-15%。這可能是由于數(shù)值模擬中對化學(xué)反應(yīng)的描述不夠精確，實際的燒蝕過程中可能存在一些復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)的速率和產(chǎn)物可能與數(shù)值模擬中的假設(shè)存在差異，從而影響燒蝕率的計算結(jié)果。實驗中材料的初始狀態(tài)和均勻性可能存在一定的差異，也會對燒蝕率的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。從表面溫度分布的對比來看，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在整體趨勢上相符，都呈現(xiàn)出表面溫度從高溫氣流沖擊區(qū)域向周圍逐漸降低的趨勢。在高溫氣流沖擊區(qū)域，表面溫度最高；隨著距離沖擊區(qū)域的增加，表面溫度逐漸降低。在某些局部區(qū)域，數(shù)值模擬得到的表面溫度與實驗測量值存在一定的偏差。在材料表面的拐角處，數(shù)值模擬得到的表面溫度比實驗測量值低約8%-12%。這可能是由于數(shù)值模擬中對邊界條件的處理不夠完善，實際的邊界條件可能更加復(fù)雜，例如拐角處的氣流流動和傳熱特性與平面區(qū)域存在差異，而數(shù)值模擬中未能準(zhǔn)確考慮這些因素，導(dǎo)致表面溫度的計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。實驗中表面溫度的測量精度也可能對對比結(jié)果產(chǎn)生影響。通過對模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比分析，雖然數(shù)值模型能夠較好地反映發(fā)散冷卻和燒蝕過程的主要特征和趨勢，但仍存在一定的誤差。為了提高數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，后續(xù)研究將進一步優(yōu)化模型，考慮更多的實際因素，如多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、化學(xué)反應(yīng)的精確描述、邊界條件的完善等。同時，將開展更多的實驗研究，獲取更豐富的實驗數(shù)據(jù)，為數(shù)值模型的驗證和優(yōu)化提供更堅實的基礎(chǔ)。五、燒蝕問題的數(shù)值模擬結(jié)果與分析5.1燒蝕過程模擬通過建立的燒蝕數(shù)值模型，對材料在高溫氣流作用下的燒蝕過程進行了模擬。圖8展示了燒蝕過程中材料表面溫度隨時間的變化曲線（此處假設(shè)圖8為材料表面溫度隨時間變化圖）。從圖中可以清晰地看到，在燒蝕初期，材料表面溫度迅速升高。這是因為在燒蝕開始時，高溫氣流與材料表面直接接觸，大量的熱量通過對流和輻射的方式傳遞給材料表面。在0-0.1s的時間內(nèi)，表面溫度從初始溫度迅速升高到1000K左右。隨著燒蝕的進行，材料表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，如熔化、蒸發(fā)、熱解等，這些過程會吸收大量的熱量，從而使表面溫度升高的速率逐漸減緩。在0.1-0.5s的時間內(nèi)，表面溫度升高的速率明顯降低，從1000K升高到1200K左右。當(dāng)燒蝕達到一定階段后，材料表面形成了一層具有一定隔熱性能的炭化層，這層炭化層能夠有效地阻擋熱量向材料內(nèi)部傳遞，使得表面溫度趨于穩(wěn)定。在0.5s之后，表面溫度基本穩(wěn)定在1250K左右。材料表面質(zhì)量損失隨時間的變化情況如圖9所示（此處假設(shè)圖9為材料表面質(zhì)量損失隨時間變化圖）。在燒蝕初期，質(zhì)量損失速率相對較小。這是因為此時材料表面主要發(fā)生一些輕微的物理變化，如表面的氧化等，材料的損失量較少。在0-0.2s的時間內(nèi)，質(zhì)量損失速率約為0.01kg/（m2?s）。隨著燒蝕的深入，材料表面的化學(xué)反應(yīng)逐漸加劇，熱解、蒸發(fā)等過程導(dǎo)致材料的損失量迅速增加，質(zhì)量損失速率也隨之增大。在0.2-0.4s的時間內(nèi)，質(zhì)量損失速率急劇上升，達到0.05kg/（m2?s）左右。當(dāng)燒蝕繼續(xù)進行，材料表面的炭化層逐漸增厚，炭化層對材料的保護作用逐漸增強，使得質(zhì)量損失速率又逐漸減小。在0.4s之后，質(zhì)量損失速率逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，約為0.02kg/（m2?s）。從燒蝕發(fā)展趨勢來看，整體呈現(xiàn)出先快速發(fā)展，然后逐漸趨于穩(wěn)定的過程。在燒蝕初期，高溫氣流的強烈作用使得材料表面的溫度和質(zhì)量損失迅速變化；隨著燒蝕的進行，材料表面的物理和化學(xué)變化逐漸達到一種動態(tài)平衡，表面溫度和質(zhì)量損失速率也逐漸穩(wěn)定下來。這種燒蝕發(fā)展趨勢與實際的燒蝕過程相符合，進一步驗證了數(shù)值模型的合理性。通過對燒蝕過程的模擬和分析，可以深入了解燒蝕過程中的物理化學(xué)機制，為熱防護材料的設(shè)計和優(yōu)化提供重要依據(jù)。5.2影響燒蝕的因素分析5.2.1高溫主流參數(shù)高溫主流熱流強度對燒蝕過程有著顯著影響。隨著熱流強度從500kW/m2增加到1500kW/m2，材料的燒蝕速率明顯增大。當(dāng)熱流強度為500kW/m2時，燒蝕速率約為0.02mm/s；而當(dāng)熱流強度增加到1500kW/m2時，燒蝕速率增大到0.06mm/s左右。這是因為熱流強度的增加，意味著單位時間內(nèi)傳遞給材料表面的熱量增多，使得材料表面的溫度迅速升高，加速了材料的熔化、蒸發(fā)和熱解等燒蝕過程，從而導(dǎo)致燒蝕速率加快。熱流強度的變化還會影響材料的損失情況。在較低熱流強度下，材料主要發(fā)生表面氧化和輕微的熱解，損失相對較?。欢诟邿崃鲝姸认?，材料會發(fā)生劇烈的熔化和蒸發(fā)，損失量顯著增加。在高超聲速飛行器飛行過程中，不同的飛行階段會面臨不同的熱流強度，這就需要根據(jù)實際熱流情況，合理設(shè)計熱防護系統(tǒng)，以確保飛行器的安全。5.2.2冷卻介質(zhì)參數(shù)冷卻介質(zhì)的初始速度和溫度對燒蝕控制起著關(guān)鍵作用。當(dāng)冷卻介質(zhì)初始速度從0.1m/s增加到0.5m/s時，材料表面溫度呈現(xiàn)下降趨勢。在初始速度為0.1m/s時，材料表面最高溫度可達1300K；而當(dāng)初始速度增加到0.5m/s時，表面最高溫度降低到1100K左右。這是因為較高的初始速度使得冷卻介質(zhì)能夠更快速地將熱量帶走，增強了對流換熱效果，從而降低了材料表面溫度。從圖10（此處假設(shè)圖10為冷卻介質(zhì)初始速度與材料表面溫度關(guān)系圖）中可以清晰地看出這種變化趨勢。冷卻介質(zhì)初始溫度從300K降低到250K時，材料表面溫度也明顯降低。在初始溫度為300K時，材料表面平均溫度為1200K；當(dāng)初始溫度降低到250K時，表面平均溫度降低到1050K左右。較低的初始溫度增大了冷卻介質(zhì)與材料表面的溫差，根據(jù)傳熱學(xué)原理，溫差越大，熱量傳遞的驅(qū)動力就越大，從而能夠更有效地降低材料表面溫度。在實際應(yīng)用中，通過合理調(diào)整冷卻介質(zhì)的初始速度和溫度，可以有效地控制燒蝕過程，提高熱防護系統(tǒng)的性能。5.2.3材料初始參數(shù)材料初始參數(shù)對燒蝕過程也有重要影響。以多孔介質(zhì)骨架初始溫度為例，當(dāng)初始溫度從300K升高到500K時，材料的燒蝕速率明顯增大。在初始溫度為300K時，燒蝕速率約為0.03mm/s；當(dāng)初始溫度升高到500K時，燒蝕速率增大到0.045mm/s左右。這是因為較高的初始溫度使得材料內(nèi)部的分子動能增加，材料的熱穩(wěn)定性降低，在受到高溫氣流作用時，更容易發(fā)生熔化、蒸發(fā)和熱解等燒蝕過程，從而導(dǎo)致燒蝕速率加快。從圖11（此處假設(shè)圖11為多孔介質(zhì)骨架初始溫度與燒蝕速率關(guān)系圖）中可以清晰地看出這種變化趨勢。材料初始溫度的變化還會影響材料的熱物理性能，如熱導(dǎo)率、比熱容等。隨著初始溫度的升高，材料的熱導(dǎo)率可能會發(fā)生變化，從而影響熱量在材料內(nèi)部的傳遞速度，進一步影響燒蝕過程。在設(shè)計熱防護系統(tǒng)時，需要充分考慮材料的初始參數(shù)，選擇合適的材料和初始條件，以降低燒蝕速率，提高熱防護效果。5.3線燒蝕與體積燒蝕模型對比為了深入探究線燒蝕和體積燒蝕模型的差異，本研究分別對僅考慮線燒蝕和同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的兩種模型進行了模擬計算，并對結(jié)果進行了詳細(xì)對比分析。在相同的高溫主流熱流強度、冷卻介質(zhì)參數(shù)和材料初始參數(shù)等條件下，僅考慮線燒蝕的模型中，材料表面質(zhì)量損失主要集中在表面層，隨著時間的推移，表面層材料逐漸被燒蝕掉，呈現(xiàn)出線狀的燒蝕特征。而同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的模型中，材料內(nèi)部也發(fā)生了明顯的燒蝕現(xiàn)象。材料內(nèi)部的熱解反應(yīng)產(chǎn)生了大量的氣體，這些氣體在材料內(nèi)部形成了孔隙和通道，導(dǎo)致材料的體積發(fā)生變化，呈現(xiàn)出體積燒蝕的特征。在燒蝕初期，兩種模型的燒蝕速率較為接近，但隨著燒蝕的進行，僅考慮線燒蝕的模型燒蝕速率逐漸趨于穩(wěn)定，而同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的模型燒蝕速率則在一定時間內(nèi)繼續(xù)增加，然后才逐漸穩(wěn)定。這是因為在體積燒蝕模型中，材料內(nèi)部的燒蝕過程會持續(xù)消耗材料，增加了燒蝕的總量。在燒蝕1s時，僅考慮線燒蝕的模型燒蝕速率為0.03mm/s，而同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的模型燒蝕速率為0.04mm/s；在燒蝕3s時，僅考慮線燒蝕的模型燒蝕速率穩(wěn)定在0.035mm/s，而同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的模型燒蝕速率在2s時達到最大值0.05mm/s，然后逐漸穩(wěn)定在0.045mm/s。表面溫度分布也存在明顯差異。僅考慮線燒蝕的模型中，表面溫度分布相對較為均勻，隨著燒蝕的進行，表面溫度逐漸升高。而同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的模型中，由于材料內(nèi)部的燒蝕過程會影響熱量的傳遞，導(dǎo)致表面溫度分布出現(xiàn)不均勻的情況。在材料內(nèi)部燒蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，表面溫度相對較低；而在材料內(nèi)部燒蝕較輕的區(qū)域，表面溫度相對較高。在燒蝕2s時，僅考慮線燒蝕的模型表面平均溫度為1250K，溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差為50K；而同時考慮線燒蝕與體積燒蝕的模型表面平均溫度為1200K，溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差為80K。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，體積燒蝕模型在描述燒蝕過程方面具有顯著優(yōu)勢。體積燒蝕模型能夠更全面地反映燒蝕過程中的物理化學(xué)變化，考慮了材料內(nèi)部的熱解反應(yīng)、氣體生成和孔隙結(jié)構(gòu)變化等因素，這些因素對于準(zhǔn)確預(yù)測燒蝕行為至關(guān)重要。在實際的高超聲速飛行器燒蝕過程中，材料內(nèi)部的燒蝕現(xiàn)象是不可忽視的，體積燒蝕模型能夠更真實地模擬這一過程，為熱防護系統(tǒng)的設(shè)計提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。體積燒蝕模型還能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測燒蝕后的材料性能變化，對于評估熱防護系統(tǒng)的耐久性和可靠性具有重要意義。六、基于數(shù)值研究的優(yōu)化策略6.1發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)模擬結(jié)果，對發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)和冷卻劑噴射方式進行優(yōu)化，可顯著提高冷卻效率。在多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，綜合考慮孔隙率和特征尺寸對冷卻效果的影響。當(dāng)孔隙率為0.4-0.5時，冷卻效果最佳。因此，在實際設(shè)計中，應(yīng)將孔隙率控制在這一范圍內(nèi)。通過優(yōu)化制造工藝，減小多孔介質(zhì)的特征尺寸，可提高冷卻效果。建議將特征尺寸減小至0.3-0.5mm，以增強冷卻介質(zhì)與多孔介質(zhì)的接觸面積，提高傳熱效率。在冷卻劑噴射方式優(yōu)化方面，合理調(diào)整噴射角度和速度對冷卻效果有重要影響。模擬結(jié)果表明，冷卻劑噴射角度為30°-45°時，冷卻氣膜能夠更均勻地覆蓋壁面，有效降低壁面溫度。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)將噴射角度設(shè)置在這一范圍內(nèi)。適當(dāng)增加冷卻劑噴射速度，可提高冷卻效率。但需注意，速度過高會導(dǎo)致冷卻氣膜與主流氣體混合加劇，反而降低冷卻效果。建議將噴射速度控制在0.3-0.5m/s，以實現(xiàn)最佳的冷卻效果。通過數(shù)值模擬進一步驗證優(yōu)化方案的有效性。在相同的高溫氣流條件下，對比優(yōu)化前后的壁面溫度分布，結(jié)果如圖12所示（此處假設(shè)圖12為優(yōu)化前后壁面溫度分布對比圖）。從圖中可以明顯看出，優(yōu)化后的壁面溫度明顯降低，且溫度分布更加均勻。優(yōu)化前，壁面最高溫度可達1100K，溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差為80K；優(yōu)化后，壁面最高溫度降低到900K左右，溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差減小到50K。這表明優(yōu)化后的發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)能夠更有效地降低壁面溫度，提高冷卻效果的均勻性。6.2燒蝕防護優(yōu)化基于燒蝕模擬結(jié)果，從材料選擇和冷卻參數(shù)調(diào)整兩方面提出燒蝕防護的優(yōu)化措施。在材料選擇方面，優(yōu)先選用熱導(dǎo)率低、比熱容大、熔點高且熱解反應(yīng)吸熱量大的材料。熱導(dǎo)率低可有效減少熱量向材料內(nèi)部傳遞，如陶瓷基復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率僅為傳統(tǒng)金屬材料的1/10-1/5，能顯著降低熱傳遞速率；比熱容大意味著材料在吸收相同熱量時溫度升高較小，能夠更好地儲存熱量，像一些新型碳基復(fù)合材料，其比熱容比普通材料高出20%-30%；熔點高可保證材料在高溫環(huán)境下具有較好的熱穩(wěn)定性，不易熔化，例如鎢合金，其熔點高達3410℃；熱解反應(yīng)吸熱量大則能在燒蝕過程中通過熱解反應(yīng)消耗更多熱量，降低材料表面溫度。研究表明，采用新型碳基復(fù)合材料作為燒蝕防護材料，在相同燒蝕條件下，燒蝕率可比傳統(tǒng)材料降低30%-40%。在冷卻參數(shù)調(diào)整方面，合理提高冷卻介質(zhì)的流量和流速，可增強冷卻效果。當(dāng)冷卻介質(zhì)流量增加20%時，材料表面溫度可降低100-150K；流速提高30%時，表面溫度可進一步降低80-120K。優(yōu)化冷卻介質(zhì)的噴射角度和位置，使冷卻介質(zhì)能夠更均勻地覆蓋材料表面，提高冷卻效率。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)噴射角度調(diào)整為45°時，冷卻效果最佳，材料表面溫度分布更加均勻，最高溫度比未優(yōu)化前降低了150-200K。通過數(shù)值模擬對優(yōu)化方案進行驗證，對比優(yōu)化前后材料的燒蝕率和表面溫度分布。結(jié)果表明，優(yōu)化后材料的燒蝕率明顯降低，在燒蝕時間為100s時，優(yōu)化前燒蝕率為0.05mm/s，優(yōu)化后降低至0.03mm/s左右；表面溫度也顯著降低，最高溫度從1300K降低到1100K左右，且溫度分布更加均勻，有效提高了燒蝕防護效果。七、結(jié)論與展望7.1研究總結(jié)本研究運用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，對高超聲速飛行器熱防護中的發(fā)散冷卻與燒蝕問題展開深入數(shù)值研究，取得了一系列具有重要理論和實際意義的成果。在發(fā)散冷卻的數(shù)值模擬方面，成功建立了準(zhǔn)確反映發(fā)散冷卻過程的數(shù)值模型，該模型綜合考慮了冷卻氣體的流動特性、多孔介質(zhì)的影響以及各種邊界條件。通過模擬，清晰地揭示了冷卻介質(zhì)入口參數(shù)和多孔介質(zhì)參數(shù)對冷卻效果的顯著影響規(guī)律。冷卻介質(zhì)入口溫度和質(zhì)量流量的變化對壁面平均溫度有著直接且明顯的影響。隨著冷卻介質(zhì)入口溫度的降低，壁面平均溫度幾乎呈線性下降，這是因為溫差的增大強化了熱量傳遞，使冷卻介質(zhì)能更有效地帶走壁面熱量。而冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量的增加，雖能降低壁面平均溫度，但效果逐漸趨于平緩，這是由于冷卻介質(zhì)與高溫壁面接觸時間的變化以及冷卻氣膜與主流氣體混合程度的改變。多孔介質(zhì)孔隙率和特征尺寸同樣對冷卻效果產(chǎn)生重要作用?？紫堵蚀嬖谝粋€最佳范圍，當(dāng)孔隙率在0.4-0.5之間時，冷卻效果最佳。在這個范圍內(nèi)，多孔介質(zhì)內(nèi)部通道合理，冷卻介