光子晶体热防护性能研究范文

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《航天器环境工程杂志》2014年第三期

1气动加热

选择美国太空探索技术公司研制的“天龙座”飞船作为研究对象，该飞船是一艘可重复使用的飞船，有载人和载货2种，向太空运送有效载荷质量最大为6000kg，返回时为3000kg，任务持续时间为7d～2a。

1.1飞船的外形尺寸飞船由前锥体、加压舱、服务舱3部分组成。前锥体半径为1m，长度为0.3m；加压舱长度为2.9m，上端圆半径为1.2m，下端圆半径为2m；服务舱长度为2.3m，半径为1.8m。

1.2建模与温度分布的数值计算

1.2.1计算区域由于飞船是对称结构，在计算中可以选择飞船的一半进行计算。计算的气动区域是半径8000mm、长度25000mm的半圆柱体，再在该半圆柱体正中建立一个半径4800mm、长度10000mm的小半圆柱体；飞船位于小半圆柱体的正中位置。小半圆柱体内的计算网格较致密，而在小半圆柱体之外区域的计算网格较稀疏。这样处理既能够满足计算的精度要求，又可减小计算量，从而提高整体计算效率。

1.2.2建模FLUENT是一个菜单式的建模软件，可在该软件平台方便地建立热数值模型并进行计算。本文的建模步骤如下：1）选择DensityBased（密度基）求解器，同时选择Explicit显示格式。2）在梯度计算方法中选择Green-GaussNodeBased法，它基于节点的Green-Gauss函数求解梯度，适合于非结构化网格，在气动加热计算中具有更高的精确度。3）流体选择空气，设置为理想气体，满足气体状态方程。4）黏度方面选择萨兰德（Sutherland）定律计算。5）在边界条件中设置Ma=5。6）所有求解方程都采用二阶迎风格式，其精度高于一阶迎风格式。7）湍流模型选择Spalart-Allmaras模型，并在该模型的列表下选择Strain/Vorticity-BasedProduction子模型。该子模型是一个相对简单的单方程模型，只求解一个输运方程，计算量相对比较小；它适合于有避免限制的流动问题求解，在计算有逆压梯度的边界层问题时能够给出比较好的计算结果，常在空气动力学问题中使用，该模型方程为1.2.3数值计算飞船速度为Ma=5时壁面的温度场分布如图1所示（这里只是针对壁面计算，并不是整个飞船）。通过图1可以看出：“天龙座”飞船在剧烈的气动加热环境下，其壁面最高温度接近1800K。前锥体的温度分布在1500K附近，加压舱在1350K附近，服务舱在1050K左右。

1.2.4气动热流的估算飞行器在剧烈的气动加热环境下，所承受的热流密度可估算为式(12)～式(13)中：h表示焓值，J；ρ表示密度，kg/m3；T为温度，K；k为热传导系数，W/(m⋅K)；q′′′&为内热源（这里内热源为0）；r为位置向量；s为方向向量；s′为散射方向；s为沿程长度（行程式(9)～式(11)中：Nu为努塞尔数；Re为雷诺数；υ为运动黏度，m2/s，这里取-51.6×10；Pr为普朗特数，取0.701；u为特征速度，m/s；l为特征长度，m；λ为导热系数，W/(m•K)，这里取0.025；∆t为温度差，K。将各参数的取值代入式(9)～式(11)中进行计算，得到热流密度为56～122kW/m2。

2光子晶体防热层的热防护性能计算

2.1光子晶体防热层的结构三维光子晶体防热层结构的最外层为SiC层，中间层为三维光子晶体层即SiC-3DPCs层，内层为基体，如图2所示。其中，SiC层为辐射涂层，其功能是增强热辐射；光子晶体层是热反射层，以热反射方式阻隔热量向基体传递。该结构实现了辐射与反射防热双重功能，特别是在高温的情况下。

2.2热控性能计算针对光子晶体防热层结构，建立一个单维三层导热-辐射耦合传热模型，其能量控制方程为利用该模型进行计算时，首先设置热流，初始温度选取300K，采取DO算法中的辐射模型，其中所有方程采取二阶迎风格式计算。辐射模型的辐射传输方程为上述方程采用FLUENT软件求解。根据之前“天龙座”飞船的气动加热计算，产生的热流可以达到数万W/m2。因此，本文分别在60kW/m2，80kW/m2，100kW/m2三种热流密度条件下，模拟了无/有光子晶体防热层两种情况下基体的温度分布，计算参数如表1所示。这里需要注意，表中的发射率都是针对近中红外波段，适合于气动加热的热防护。图3和图4分别为不同热流密度条件下，无、有光子晶体防热层时的基体温度分布。x和y表示基体层的二维几何坐标，其中x为基体深度方向，单位为m。从图3可以得到：无光子晶体防热层时，温度分布在100kW/m2热流密度下，处于1360～1374K之间；在80kW/m2下，处于1284～1295K之间；在60kW/m2下，处于1190～1199K之间。从图4可以得到：有光子晶体防热层时，温度分布在100kW/m2热流密度下，处于850～856K之间；在80kW/m2下，处于841～845K之间；在60kW/m2下，处于830～833K之间。通过模拟结果的比较可以看出，采用光子晶体防热层时，飞行器的热控性能有提高：在100kW/m2热流密度下，温度下降约515K；在80kW/m2下约450K；在60kW/m2下约360K。这反映出PCs防热层具有良好的热控性能。

3结束语

本文利用FLUENT软件和DO算法中的辐射模型对有/无光子晶体防热层结构的气动加热进行了数值模拟计算。通过计算结果的对比发现，采用光子晶体防热层结构可使基体温度下降约360～515K，证明它具有良好的热控性能。光子晶体在再入飞行器热防护领域有广阔的应用前景，但其工程化应用还有待深入研究。

作者：张昊春邱晨晖李垚赵杨秦江于海燕单位：哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨工业大学复合材料研究所