邊界條件對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱性能的影響

李世平 魏廣平

摘? 要：運(yùn)用MSC/NASTRAN有限元軟件對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）小板作為試驗(yàn)件進(jìn)行了數(shù)值仿真，對(duì)比分析了不同材質(zhì)隔熱框?qū)υ囼?yàn)件底板溫度的影響，同時(shí)，對(duì)TPS底板在自然對(duì)流環(huán)境和絕熱狀態(tài)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：隔框的的隔熱性能越好，對(duì)試驗(yàn)件底板溫度測(cè)試的結(jié)果越真實(shí);對(duì)TPS底板施加自然對(duì)流使得數(shù)值仿真結(jié)果更加真實(shí)。

關(guān)鍵詞：熱防護(hù)系統(tǒng);邊界條件;數(shù)值仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：V411.8? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0015-04

Abstract： The finite element software MSC/NASTRAN is used to simulate the（TPS） plate of thermal protection system as the test piece， and the influence of different material insulation frame on the bottom plate temperature of the test piece is compared and analyzed. At the same time， the natural convective environment and adiabatic state of TPS floor are compared. The results show that the better the thermal insulation performance of the partition is， the truer the results of the temperature measurement of the bottom plate of the test piece are， and the truer the natural convection applied to the TPS bottom plate makes the numerical simulation results more real.

Keywords： thermal protection system; boundary conditions; numerical simulation

熱防護(hù)系統(tǒng)（Thermal Protection Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)TPS），作為高超聲速飛行器的主要隔熱方式，其隔熱性能的好壞直接關(guān)系到飛行器研制的成敗[1]，而驗(yàn)證熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱性能的主要手段為隔熱試驗(yàn)[2]，傳統(tǒng)的隔熱試驗(yàn)主要采用小板作為試驗(yàn)件，在其上表面采用石英燈加熱，底面測(cè)量溫度。通常小板試驗(yàn)件放置在一個(gè)隔熱框內(nèi)，使得試驗(yàn)環(huán)境盡可能形成一維傳熱，但是隔熱框是無(wú)法達(dá)到絕熱狀態(tài)。本文對(duì)多種材質(zhì)的隔熱框進(jìn)行對(duì)比分析，討論隔熱框邊界條件對(duì)試驗(yàn)的影響。由于TPS試驗(yàn)是在大氣環(huán)境中進(jìn)行的，盡管在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件底面采用玻璃絲棉氈形成空腔，所在溫度的升高，空腔內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流。因此，給試驗(yàn)件底面施加自然對(duì)流邊界條件。

1 小板試驗(yàn)件及隔框結(jié)構(gòu)描述

以典型的三明治形式模擬小板試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)，上部為5mm厚度的氧化硅材料，密度0.374g/cm3，材料比熱和傳導(dǎo)率物性參數(shù)見(jiàn)表1;下部為3mm厚度的鋁合金;中部為23mm厚度的氣凝膠芯體，密度0.374g/cm3，比熱1000J/（kg·K），材料傳導(dǎo)率性能見(jiàn)表2。小板尺寸100mm*100mm，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1a，試驗(yàn)支持狀態(tài)見(jiàn)圖1b。

隔框取與試驗(yàn)件厚度一樣的隔熱材料，密度為0.374g/cm3，材料的比熱和傳導(dǎo)率物性參數(shù)見(jiàn)表3。隔框?qū)挾葹?0mm（圖1c）。

2 計(jì)算方法

按照建立的有限元模型，小板上表面施加隨時(shí)間變化的溫度曲線(xiàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果提取圖2中小板底面中點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)編號(hào)16756），底面角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)編號(hào)16976），底面邊中點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)編號(hào)16766）三個(gè)點(diǎn)的溫度結(jié)果進(jìn)行曲線(xiàn)繪制，按照當(dāng)前模型具有的條件，對(duì)3個(gè)表中不同的材料作為隔框，加上沒(méi)有隔框，以及小板底面設(shè)置不同的自然對(duì)流邊界條件共進(jìn)行了12種工況計(jì)算，詳細(xì)描述邊界條件對(duì)材料隔熱性能的影響。

工況1，TPS厚度方向取絕熱邊界，底面絕熱，無(wú)隔框;工況2，TPS厚度方向取絕熱邊界，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)5W/m2，無(wú)隔框;工況3，TPS厚度方向取絕熱邊界，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)10W/m2，無(wú)隔框;工況4，底面絕熱，有隔框，材料為表1氧化硅;工況5，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)5W/m2，有隔框，材料為表1氧化硅;工況6，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)10W/m2，有隔框，材料為表1氧化硅;工況7，底面絕熱，有隔框，材料為表2氣凝膠;工況8，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)5W/m2，有隔框，材料為表2氣凝膠;工況9，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)10W/m2，有隔框，材料為表2氣凝膠;工況10，底面絕熱，有隔框，材料為表3隔框材料;工況11，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)5W/m2，有隔框，材料為表3隔框材料;工況12，底面施加對(duì)流邊界條件，自然對(duì)流系數(shù)區(qū)10W/m2，有隔框，材料為表3隔框材料。

3 計(jì)算結(jié)果

工況1～3的TPS厚度方向取絕熱邊界，因此各計(jì)算完全等價(jià)于一維計(jì)算模式，圖3給出工況1～工況3的TPS底面板時(shí)間-溫度歷程曲線(xiàn)，試驗(yàn)件底面點(diǎn)所有溫度相同只是由于底面施加對(duì)流條件的不同，底面溫度才隨之變化，對(duì)流系數(shù)越大，試驗(yàn)件底面溫度越低;圖4給出工況4～工況6底面點(diǎn)溫度曲線(xiàn)，可與看出，由于隔框材料與試驗(yàn)件上面板材料相同，試驗(yàn)件底面三個(gè)點(diǎn)的溫度相同，而且溫度非常高，說(shuō)明這種方式完全不可行;圖5給出工況8～工況10底面點(diǎn)溫度曲線(xiàn);圖6給出工況10～工況12底面點(diǎn)溫度曲線(xiàn)，可以看出，隔框材料對(duì)試驗(yàn)底面溫度有明顯的影響，由圖5和圖6可以看出，底面三個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)已經(jīng)不再重合，中點(diǎn)溫度最高，隨著隔框材料隔熱效果的增加，底面溫度采用試驗(yàn)中所用的隔熱材料（表3），所有工況的底面溫度曲線(xiàn)局勢(shì)一致，由于工況4～工況6圍框?yàn)槊姘宀牧?，無(wú)法起到隔熱效果，所以去除，畫(huà)出其余工況底面中心溫度最終時(shí)刻（100s）的比較圖（見(jiàn)圖7）。

4 結(jié)束語(yǔ)

TPS底面增加自然對(duì)流邊界條件，使得TPS底面溫度降低，并且，隨著對(duì)流系數(shù)的增大，TPS底面減小;TPS底面絕熱為最嚴(yán)酷的情況，此時(shí)，TPS底面最高;隔框的存在對(duì)TPS計(jì)算結(jié)果較之絕熱邊界TPS底面偏高，同時(shí)導(dǎo)致TPS底面溫度不均勻，底面中心位置溫度最高，底面邊界中點(diǎn)次之，底面角點(diǎn)溫度最低。兩種隔熱材料作為隔框其計(jì)算結(jié)果完全一致，雖然兩種隔熱材料的熱傳導(dǎo)率略有差別，說(shuō)明小板試驗(yàn)置于隔框內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬忠輝，孫秦，王小軍，等.RLV陶瓷熱防護(hù)系統(tǒng)熱分析模型研究[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2003（3）：19-24.

[2]蘇大亮，鄭曉亞，張鐸.飛行器頭部熱防護(hù)系統(tǒng)熱分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006（1）：725-727.

[3]Bradford， J.E， Olds， J.R.Thermal Protection System Sizing and Selection for RLVs Using? the? Sentry? Code. AIAA-2006-4605.

[4] David E. Glass. Ceramic Matrix Composite （CMC） Thermal Protection Systems （TPS） and Hot Structures for Hypersonic Vehicles.AIAA-2008-2682.

[5]秦強(qiáng)，成竹，任青梅，等.溫度對(duì)剛性陶瓷防熱瓦隔熱性能的影響[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2010（4）：58-61.

[6]郭朝邦，李文杰.高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)材料與熱防護(hù)系統(tǒng)[J].飛航導(dǎo)彈，2010（4）：88-94.

[7]張鈺.結(jié)構(gòu)熱實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].北京：宇航出版社，1993.