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原文传递模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法

专利名称：	模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法
摘要：	本发明公开了一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，本方法通过给定时间步长，基于燃气气体组分和试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率，得到该时间步长下的试件的初始形貌并获得试件表面氧化膜SiO2厚度，然后根据燃气流速求解时间步长下的试件的最终形貌，根据试件表面温度分布，获得试件固液交界面处的温度分布；燃气气体组分中的氧浓度，得到氧在固液交界面处的浓度分布；并经过多次给定时间步长，获得最终SiCf/SiC复合材料烧蚀形貌。本发明综合考虑高温燃气流的气动力作用与热化学反应烧蚀的作用，耦合以上两种因素获得烧蚀结果，对烧蚀形貌做出更加精确的模拟。
专利类型：	发明专利
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	宋迎东;杜金康;高希光;赵学灿;时晓婷
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
申请号：	CN202010054402.5
公开号：	CN111157671A
代理机构：	南京钟山专利代理有限公司
代理人：	张明浩
分类号：	G01N31/12;G01N25/22;G01N13/00;G;G01;G01N;G01N31;G01N25;G01N13;G01N31/12;G01N25/22;G01N13/00
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一：通过燃气对陶瓷基复合材料试件进行烧蚀实验，给定燃气燃烧燃气比例，确定火焰温度大小，燃气流速和气体组分含量；步骤二：在实验过程中持续对试件表面温度进行采样，获得试件表面温度分布；步骤三：给定时间步长，基于步骤一中给定的气体组分含量以及步骤二中测得的试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率，得到该时间步长下的试件的初始形貌并获得试件表面氧化膜SiO2厚度，步骤四：基于步骤一给定的燃气流速，得到试件表面气动力分布，得到气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力，将气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力与试件表面氧化膜SiO2不同厚度处的粘附力进行气液两相流耦合求解，得到被吹走的液态试件表面氧化膜SiO2厚度和依然粘附在试件表面上的液态试件表面氧化膜SiO2厚度；得到该时间步长下的试件的最终形貌；步骤五：基于步骤四得到的试件的最终形貌，基于步骤二中测得的试件表面温度分布，求解氧化膜SiO2的热传导方程，获得试件固液交界面处的温度分布；步骤六、根据步骤一中给定的气体组分中的氧浓度，以及氧在氧化膜SiO2的扩散定律，求解氧在氧化膜SiO2中的扩散方程，得到氧在固液交界面处的浓度分布；步骤七、在该时间步长下的试件的最终形貌的基础上，给定下一时间步长，重复步骤三至步骤六；步骤八、重复若干次步骤七，直至所有时间步长之和达到规定烧蚀时间，最后一次时间步长获得的试件的最终形貌即为最终SiCf/SiC复合材料烧蚀形貌。 2.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤一中，采用氧乙炔焰进行烧蚀实验，实验过程按照GJB 323A-1996开展。 3.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤二中，采用红外测温仪对试件非接触式温度测量，红外测温仪能够实时测量并记录试件表面温度分布。 4.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤三中，计算第一给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率的公式为：式中：为试件表面氧化膜SiO2单位时间步长厚度变化，dxSiC为试件SiC单位时间步长厚度变化，为单位时间氧气通量，t为时间步长，为氧化膜SiO2摩尔质量，MSiC为试件SiC摩尔质量，为氧化膜SiO2密度，ρSiC为试件SiC密度，dn单位时间流过单位截面内物质的量的改变量，dC单位时间浓度变化。 5.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤四中，气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力与试件表面氧化膜SiO2不同厚度处的粘附力进行气液两相流耦合求解的公式为：式中：Fn为试件表面氧化膜SiO2的粘附力，μ1为二氧化硅动力粘度，采用经验公式μ1＝1.183×10-7Ma0.5T10.6,u1为气液交界面处液态层流动速度，x为试件表面氧化膜SiO2距固液分界面的厚度，Ft为气液交界面剪切力；cf为气动摩擦系数，ρg燃气来流密度，ug来流沿时间表面速度，从公式可以看出，试件表面氧化膜SiO2的粘附力与氧化膜自身厚度有关，不同厚度处具有不同的粘附力，比较Fn与Ft的大小，当Ft＞Fn时，液态层开始发生流动，当Ft＝Fn时，从此处发生流动，Ft＜Fn时，液态层粘附在试件表面上。 6.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤五中，氧化膜SiO2的热传导方程为式中：为系统内能的增量，属于非稳态项；为导入导出的净热流量，属于扩散项；为内热源，属于源项；λ为氧化膜SiO2的热传导系数，c为比热容，ρ二氧化硅密度，x和y分别为材料横向和纵向坐标。 7.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤六中，假设氧在液态氧化膜SiO2中的扩散满足Fick定律，且，各向扩散系数相同且为常数，则有氧在氧化膜SiO2中的扩散方程为：式中：为浓度随时间变化率，D为氧在SiO2中的扩散系数，x，y为沿烧蚀表面建立的坐标系的横向和纵向坐标，上式的含义为：在非稳态扩散过程中，在距离表面x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。
所属类别：	发明专利