苗文博, 史可天,*, 歐東斌, 曹占偉, 艾邦成

(1. 中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074; 2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076)

0 引 言

地面熱考核實(shí)驗(yàn)是高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)考核和評估的重要手段，現(xiàn)有地面實(shí)驗(yàn)無法再現(xiàn)真實(shí)飛行條件，只能模擬總焓、壓力、熱流中的某些參數(shù)，是有限條件下的有限模擬，因此必然存在地面實(shí)驗(yàn)與飛行條件之間的“天地差異”。

研究表明，壁面催化是高焓加熱條件的一個(gè)重要特征[1]。高焓加熱實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，氣體在駐室高溫環(huán)境下大量離解，流場中的離解組分含量較高，為壁面催化復(fù)合創(chuàng)造了條件。

關(guān)于壁面催化效應(yīng)的研究已經(jīng)開展了許多年，研究表明,外部流動(dòng)條件、壁面溫度以及壁面材料催化復(fù)合系數(shù)是影響壁面催化效應(yīng)的主要因素。Goulard[2]對比了幾種典型金屬和氧化物材料的壁面催化復(fù)合系數(shù)并通過試驗(yàn)給出了這幾種材料對氧原子的復(fù)合催化系數(shù)的大致數(shù)值。Inger[3]發(fā)現(xiàn)除了受材料的表面物理化學(xué)特性影響外，壁面溫度是影響壁面催化能力的一個(gè)重要因素，并給出了某碳基材料的壁面催化復(fù)合系數(shù)隨溫度的擬合關(guān)系式。Scott[4]、Stewart[5]、Kurotaki[6-7]等人研究了多種材料在較低溫度條件下的壁面催化復(fù)合系數(shù)，并建立了針對數(shù)值模擬的壁面催化模型。但是,在壁面催化性能的定量表征方面一直存在較大難度，目前壁面催化復(fù)合系數(shù)的測量主要通過靜態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法來實(shí)現(xiàn)[8-10]，一般在電弧加熱風(fēng)洞、高頻感應(yīng)風(fēng)洞或者恒溫試驗(yàn)裝置里進(jìn)行，所采用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括能量平衡實(shí)驗(yàn)方案、激光誘導(dǎo)熒光測量方法(Laser Induced Florescence)、發(fā)射光譜儀測量方法等。能量平衡實(shí)驗(yàn)方案受測溫?cái)?shù)據(jù)不確定度、材料傳熱性能、材料熱物性等因素影響，存在50%以上不確定度。而直接測量方法往往只能給出較低壁溫條件下的催化系數(shù)，且受流動(dòng)熱非平衡狀態(tài)影響較大。高冰[11]通過鍍膜的方式對比了金屬材料和SiO2/Ta2O5/Al2O3復(fù)合材料在高焓爆轟激波風(fēng)洞中的催化性能差異，聶春生[12]通過納米濺射的方式對比了金屬Au和SiO2材料在電弧加熱風(fēng)洞中的催化性能差異，這些方式是認(rèn)識材料催化性能的有效途徑，但由于大多數(shù)熱防護(hù)材料無法在金屬表面通過濺射附著或者鍍膜厚度太大導(dǎo)致感受性太差，這一方法無法有效推廣。因此，要認(rèn)識高焓加熱條件下熱防護(hù)材料的催化效應(yīng)，需要尋找新的方法。

本文針對高焓加熱地面實(shí)驗(yàn)，發(fā)展了典型熱防護(hù)材料催化效應(yīng)的評估和分析方法，可以給出所考核熱防護(hù)材料的催化效應(yīng)定量表征，為熱防護(hù)考核實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 問題描述

地面高焓加熱考核實(shí)驗(yàn)中，需要先使用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)定，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)無法使用與熱防護(hù)材料催化性能一致的傳感器進(jìn)行熱流標(biāo)定，往往使用銅制塞式熱流傳感器進(jìn)行熱流標(biāo)定，而銅的催化性能接近完全催化，因此使用銅制傳感器進(jìn)行熱流標(biāo)定后，當(dāng)考核材料催化性能較低，實(shí)際加熱過程中材料感受到的熱流將小于標(biāo)定熱流，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)欠考核。因此在實(shí)驗(yàn)條件確定之前，需要對考核材料的催化效應(yīng)進(jìn)行評估和分析，為實(shí)驗(yàn)方案確定提供參考。

袁軍婭研究發(fā)現(xiàn)，高焓地面加熱條件下，催化效應(yīng)使得實(shí)際表面受熱比標(biāo)定熱流更低，現(xiàn)有測試手段無法對真實(shí)加熱進(jìn)行直接測量[13]。但是，材料的熱響應(yīng)是客觀的，能夠反應(yīng)實(shí)際加熱情況。因此，可以建立材料表面受熱與熱響應(yīng)的一一對應(yīng)關(guān)系，通過材料響應(yīng)來反推其真實(shí)受熱狀態(tài)。

使用材料熱響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)合不同溫度條件下的材料熱物性參數(shù)可以對材料受熱進(jìn)行辨識，但是三維辨識的難度極大，一般將該問題簡化為一維問題進(jìn)行分析，這就需要在實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)一維加熱。受流場均勻性、試件尺寸大小等因素影響，現(xiàn)有地面實(shí)驗(yàn)手段很難滿足一維加熱模擬，因此使用一維辨識手段對熱環(huán)境進(jìn)行反算難度較大，偏差也不容易控制。本文發(fā)展三維熱響應(yīng)分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試溫度數(shù)據(jù)對比的方法，對真實(shí)表面受熱進(jìn)行反算，可以對催化效應(yīng)進(jìn)行分析，并給出催化效應(yīng)影響范圍。

其研究過程如下：(1) 首先對典型點(diǎn)熱流進(jìn)行標(biāo)定，然后開展平板加熱實(shí)驗(yàn)，測量一段加熱時(shí)間平板表面溫度和背面溫度數(shù)據(jù)；(2) 針對地面實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行平板表面加熱數(shù)值模擬與分析，給出表面加熱環(huán)境分布；(3) 基于數(shù)值模擬所得熱環(huán)境數(shù)據(jù)，開展不同程度加熱條件下平板結(jié)構(gòu)傳熱分析，獲得材料隨時(shí)間溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)；(4) 將熱響應(yīng)分析數(shù)據(jù)與地面實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，判斷地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)落點(diǎn)范圍，采用二分法修改熱流輸入條件，多次迭代計(jì)算熱響應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)熱響應(yīng)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)最大偏差小于5%時(shí)停止，此時(shí)即可判斷催化效應(yīng)影響量值。

為簡化問題，減少三維效應(yīng)的影響，本文選擇平板加熱實(shí)驗(yàn)對某一典型熱防護(hù)材料的催化效應(yīng)進(jìn)行分析。

2 平板模型地面高焓加熱實(shí)驗(yàn)

平板加熱實(shí)驗(yàn)在電弧加熱風(fēng)洞開展。確定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)之后，使用鋼制模型和銅制塞式量熱計(jì)對典型點(diǎn)熱流進(jìn)行了標(biāo)定。針對熱防護(hù)材料平板件，在電弧加熱狀態(tài)開展了120s左右的加熱實(shí)驗(yàn)，獲得了平板材料典型點(diǎn)背面和表面溫度數(shù)據(jù)。

矩形噴管喉道尺寸30mm×60mm、出口尺寸120mm×60mm，噴管四周和試件支架四周均使用水冷保護(hù)。圖1給出實(shí)驗(yàn)加熱噴管與平板模型布局示意圖。熱防護(hù)材料考核模型尺寸為100mm×100mm×7.2mm，其上表面為加熱面，在其下方粘貼100mm×100mm×30mm的高性能隔熱材料。

實(shí)驗(yàn)過程中，為減少安裝支架對材料傳熱的影響，將平板材料放置于事先加工好的110mm×110mm×38mm的凹坑內(nèi)，在平板材料四周采用高性能隔熱材料進(jìn)行了隔熱處理和填平。隔熱材料具有較低的熱導(dǎo)率(常溫?zé)釋?dǎo)率低于0.04W/(m·K))，因此可以認(rèn)為平板絕熱材料隔熱邊界達(dá)到絕熱輻射條件。

加熱狀態(tài)為總焓H0=18MJ/kg，總壓p0=110kPa。對于當(dāng)前加熱狀態(tài)，平板中心位置采用銅制塞式量熱計(jì)得到的標(biāo)定熱流為370kW/m2，該熱流為當(dāng)前加熱狀態(tài)完全催化壁表面熱流。圖2給出采用B型熱電偶測量的當(dāng)前狀態(tài)平板中心位置背面溫度隨加熱歷程的溫升曲線?？梢钥吹剑訜釋?dǎo)致背面溫度快速升高，溫度足夠高時(shí)，溫升趨緩。由于溫度傳感器最小量程為200℃，因此在加熱初期，溫度基本不變?？己瞬牧蠟槟掣男蕴继疾牧?，其常溫?zé)醾鲗?dǎo)系數(shù)大于50W/(m·K)，具有較高的傳熱能力，背部溫升較快。

圖1 噴管及平板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 平板背面溫升曲線

3 熱環(huán)境數(shù)值模擬

熱環(huán)境是結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析的輸入數(shù)據(jù)，本文通過求解多組分化學(xué)反應(yīng)N-S方程對高焓風(fēng)洞加熱條件下的平板表面熱環(huán)境進(jìn)行了分析，基于有限體積方法對方程進(jìn)行了離散求解，所采用的空間離散格式為AUSM+格式[14]，時(shí)間離散格式為LUSGS格式。引入氣體熱力學(xué)平衡化學(xué)非平衡假設(shè)，選擇Dunn-Kang的7組分9反應(yīng)模型[15]來模擬有限速率化學(xué)反應(yīng)過程。計(jì)算過程中噴管壁溫和平板壁面溫度均取Tw=300K，壁面催化條件分別取完全催化壁和非催化壁條件。

圖3給出數(shù)值模擬所得完全催化壁和非催化壁條件下的平板表面加熱環(huán)境。由圖可知，平板表面熱流在核心區(qū)具有一定的均勻性，靠近邊緣位置存在明顯的高熱流條帶。對于當(dāng)前加熱狀態(tài)，流動(dòng)存在顯著的壁面催化效應(yīng)。平板中心點(diǎn)完全催化壁熱流約395kW/m2，非催化壁熱流約220kW/m2，兩者相差約45%。預(yù)示著當(dāng)材料催化性能較低時(shí)，其受熱將與完全催化壁完全不同。對比發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬完全催化壁熱流比試驗(yàn)標(biāo)定熱流高約6.5%。

(a) 完全催化壁

(b) 非催化壁

4 結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析

材料熱結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析采用基于有限元的傳熱計(jì)算方法開展[16]。上表面為熱流輸入條件，下表面為自然輻射條件，考慮到平板材料四周填充了隔熱材料，對四周邊界按照絕熱邊界條件進(jìn)行約束。

在傳熱分析過程中，恢復(fù)焓、熱流、材料參數(shù)是影響熱響應(yīng)分析結(jié)果的重要因素?？紤]到噴管壁水冷條件可能會產(chǎn)生一定的焓損失，因此對恢復(fù)焓的敏感性進(jìn)行了分析。分別以原始總焓、90%總焓條件以及考慮噴管水冷邊界影響的平板絕熱焓值作為恢復(fù)焓進(jìn)行了平板熱響應(yīng)分析。圖4給出了不同溫升曲線，輸入熱流為完全催化壁熱流，可以看到不同的恢復(fù)焓選取方法對溫升曲線影響較小，最大相差在t=120s處，相差約2%。原因在于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)總焓值較高，焓值一定幅值的波動(dòng)對溫升曲線的計(jì)算影響較小。因此，在后續(xù)計(jì)算過程中均選擇駐室總焓作為恢復(fù)焓值進(jìn)行熱響應(yīng)分析。

圖4 不同焓值條件下溫度響應(yīng)曲線

5 催化效應(yīng)分析

通過將結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析所得溫度數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可以對當(dāng)前加熱狀態(tài)催化效應(yīng)進(jìn)行分析和評估。

注意到本文數(shù)值模擬所得完全催化壁表面熱流為395kW/m2，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的該點(diǎn)熱流為370kW/m2，數(shù)值模擬結(jié)果略高于實(shí)驗(yàn)測量值，兩者相差約6.5%。考慮到數(shù)值模擬的入口條件是二次數(shù)據(jù)，可能存在偏差，而測試數(shù)據(jù)具有更高的可靠性。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析時(shí)，依照實(shí)驗(yàn)標(biāo)定熱流對數(shù)值計(jì)算熱流進(jìn)行了修正，基于數(shù)值模擬所得熱流分布規(guī)律，修正測點(diǎn)熱流與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定值相同，并據(jù)此進(jìn)行了結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析。

圖5(a)給出無修正時(shí)完全催化壁、非催化壁、80%完全催化壁熱流和70%完全催化壁熱流數(shù)值計(jì)算所得測點(diǎn)溫度分布與實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)溫度分布數(shù)據(jù)對比?？梢钥吹?，此時(shí)80%完全催化壁熱流分析所得溫度響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。不同熱流條件最大溫差出現(xiàn)在t=120s處，完全催化壁所得背面溫升比非催化壁高320℃，比實(shí)驗(yàn)測量值高130℃。圖5(b)給出修正后完全催化壁、非催化壁、85%完全催化壁和70%完全催化壁熱流所得測點(diǎn)溫度分布與實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)溫度分布數(shù)據(jù)對比，可以看到對于當(dāng)前加熱狀態(tài)，85%完全催化壁熱流分析所得溫度響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合，不同熱流條件最大溫差出現(xiàn)在t=120s處，完全催化壁所得背面溫升比非催化壁高300℃，比實(shí)驗(yàn)測量值高95℃。因此可以認(rèn)為此時(shí)材料催化特性使得其表面受熱為完全催化壁熱流的85%，即催化效應(yīng)使得真實(shí)受熱低于標(biāo)定熱流15%，要保證高焓加熱不會出現(xiàn)欠考核，需要修正實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，使得標(biāo)定熱流比實(shí)驗(yàn)考核要求的熱流大17.6%(1/0.85-1)以上，才能保證考核有效性。由對比分析可見，若不修正熱流輸入，分析所得催化效應(yīng)將為80%，將高估催化效應(yīng)影響。

觀察圖中計(jì)算所得溫升曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，其走勢基本一致，因此在當(dāng)前分析狀態(tài)下，采用四周絕熱的約束條件可以很好模擬周邊填充隔熱材料產(chǎn)生的影響。

(a) 修正前

(b) 修正后

Fig.5Comparisionoftemperatureprofilesbetweensimulationandtest

6 結(jié) 論

地面高焓加熱實(shí)驗(yàn)中存在顯著的壁面催化效應(yīng)，現(xiàn)有直接測量手段很難對真實(shí)材料的催化效應(yīng)進(jìn)行定量評估，本文發(fā)展了地面實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法，通過對比多個(gè)熱流輸入條件下結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析所得材料溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，反推材料壁面催化效應(yīng)，為制定地面實(shí)驗(yàn)方案提供技術(shù)支撐。研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 對于本文所研究熱防護(hù)材料，在當(dāng)前高焓加熱試驗(yàn)條件下，壁面催化效應(yīng)使得實(shí)際受熱僅為標(biāo)定熱流的85%左右，需要考慮催化效應(yīng)加嚴(yán)考核條件，以保證有效考核。

(2) 本文發(fā)展的催化效應(yīng)反推方法，可以對典型材料高焓加熱狀態(tài)下的壁面催化效應(yīng)進(jìn)行定量表征，給試驗(yàn)方案調(diào)整提供依據(jù)。這一方法可以推廣至其他熱防護(hù)材料，并用于該材料的地面高焓加熱實(shí)驗(yàn)考核分析與評估。