一种热防护材料传热模型修正方法与流程

本发明属于热防护材料性能评价技术领域，具体涉及一种热防护材料传热模型修正方法。

背景技术：

目前，国外航天大国均在大力开展高速飞行器的研制工作，对于热防护材料及其结构在使用条件下的性能评价需求也日趋急迫。为了实现更高的结构质量比，对于热防护材料及其结构的设计方法正在由粗放的考核通过式向精细的设计验证式过渡。

该类热防护材料一般具有耐高温、低密度、非均质的特点，材料内部为多孔结构，孔隙率一般大于85％，孔径在10nm～100nm。孔结构的存在降低了材料的密度(一般不大于0.65g/cm³)和导热系数(一般不大于0.05w/m·k)，提高了材料的隔热性能，但也给评价该类材料的隔热性能带来了难题。

传统的评价材料的隔热性能一般需要材料的热物性参数作为支撑，主要包括：导热系数、比热容和密度。现有导热系数测试设备测量材料的导热系数一般采用水流量平板法或者量热计法进行测试。导热系数的测试原理是利用设备，在材料的测试方向构造一个稳定的温度梯度条件，通过测量穿过热防护材料到达热防护材料背面的热流值来计算材料的导热系数。从上述测试原理可以看出，导热系数的测试精度主要受穿过热防护材料到达热防护材料背面的热流值的测试结果影响，当热防护材料导热系数较低时，测得的热流值极小，导致系统误差增大。使用在高速飞行器上的热防护材料，一般为低密度、低导热的纳米多孔材料，在使用条件下，主要受到气流的冲刷力和压力，以及由于高速气流在表面滞止产生的高温。利用现有测试设备来测量热防护材料的导热系数主要面临以下难点：1)无法模拟气流的冲刷力和压力，气动的冲刷力和压力会在一定程度上加速热量的传递，影响材料的隔热性能；2)部分热防护材料在高温条件下会发生化学反应，产生额外的热量，影响现有设备的测量精度，因此该部分材料的导热系数无法通过设备直接测量；3)在测量该类热防护材料1000℃以上导热系数时，精度较低，无法支撑精细的设计验证式设计方法的实施；4)当前的测试设备需要材料按照特定的厚度进行测试，因此对于在测试方向上存在非均质情况的材料，测试结果不具有通用性。

电弧风洞试验是采用电弧风洞试验设备对热防护材料的隔热性能进行考核的重要方式，是目前地面试验中公认的最接近于高速飞行器飞行条件的试验方法。在进行电弧风洞试验对热防护材料隔热性能进行考核时，热防护材料一般采用嵌入式的方式放置于工装中间，即：热防护材料的底部和四周均为工装。为避免高温高速气体对工装的损坏，工装一般采用水冷设计，因此工装会从热防护材料上吸收热量，影响对热防护材料隔热性能的精确评估。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种热防护材料传热模型修正方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

根据第一方面，提供一种热防护材料试验件，包括热防护材料和金属底板，所述的热防护材料长度和宽度的尺寸比所述金属底板的长度和宽度的尺寸大，所述的热防护材料和所述金属底板通过耐高温胶粘结。

进一步的，所述的热防材料和金属底板均采用截面为正方形的长方体。

优选的，所述的热防护材料正方形截面尺寸为100mm～150mm，厚度尺寸不小于8mm。

优选的，所述的金属底板正方形截面尺寸比热防护材料正方形截面尺寸小10～20mm，厚度尺寸为2mm～6mm。

根据第二方面，提供上述一种热防护材料传热模型修正方法，包括以下步骤：

制造热防护材料试验件；

获得热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度；

将热防护材料试验件安装到试验用工装上；

按照试验条件对热防护材料试验件进行电弧风洞试验，测量试验过程中的试验件背面温升曲线、工装温升曲线和冷却水温升曲线；

根据试验条件和试验件的安装状态对安装试验件后的整个工装建立有限元计算模型，根据获得的热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度建立初始传热模型并进行传热计算；

根据试验中测量的冷却水温升曲线和工装边界温升曲线进行传热计算，确定计算模型的边界条件；

根据建立的边界条件和测试得到的试验件背面温升曲线修正热防护材料试验件的传热模型。

进一步的，对多个厚度的热防护材料试验件建立传热模型，将获得的结果进行拟合，获得适用于多厚度的传热模型。

进一步的，所述的热防护材料试验件和工装之间设置隔热垫，所述的隔热垫底部与工装之间紧密贴合。

优选的，所述的隔热垫的截面尺寸与热防护材料相同，采用“回”型结构设计，中间开孔尺寸不大于20mm×20mm，厚度不小于30mm，常温导热系数不大于0.06w/m·k。

进一步的，所述的热防护材料试验件与工装之间留有间隙，并采用耐高温热密封胶封堵。

优选的，所述的热防护材料试验件与工装之间的间隙为1mm～1.5mm。

进一步的，所述的计算模型边界条件的确定方法为：

s6.1设置冷却水与试验工装之间的初始换热系数；

s6.2根据试验中测量得到的的冷却水温升曲线和初始换热系数，计算得到工装温升曲线；

s6.3根据计算得到的工装温升曲线和测量得到的工装温升曲线进行比较，若最大偏差在允许范围内，则完成换热系数的确定，并确定边界条件；若最大偏差不在允许范围内，进行下一步；

s6.4返回步骤s6.1，修改换热系数，继续s6.2和s6.3。

进一步的，所述的热防护材料试验件的传热模型的修正方法为：

s7.1设置热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度；

s7.2根据计算得到的边界条件和初始导热系数、比热容和密度，通过初始传热模型进行传热计算获得热防护材料试验件的背面温升曲线；

s7.3将计算获得热防护材料试验件的背面温升曲线和测量得到的热防护材料试验件的背面温升曲线做比较，若最大偏差在允许范围内，则完成热防护材料试验件的传热模型的修正；若最大偏差不在允许范围内，进行下一步；

s7.4返回步骤s7.1，修改导热系数，继续s7.2和s7.3。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过换热系数和导热系数的求解和修正，建立了精确度高的热防护材料试验件的传热模型，解决了现有技术中测试范围受限、测试结果适应性不足、测试精度不高，导致不能获得精确结果的问题；

(2)本发明通过对现有传热模型的修正，解决了电弧风洞试验中因冷却水的问题导致的边界条件不准确和初始换热系数不准确带来的不能精确计算的问题，提高了计算的精度；

(3)本发明通过建立精确的传热模型，解决了同类材料不同厚度、不同温度和不同压力等不同条件下的传热问题，使遇到类似的问题不需要再进行试验，减少了试验的时间和经费的支出。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的热防护材料试验件的安装示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的热防护材料传热模型修正方法步骤示意图。

上述附图包含以下附图标记：

1、热防护材料，2、耐高温密封胶，3、试验工装，4、隔热垫块，5、铝合金底板，6、硅橡胶。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明第一个实施例，提供一种热防护材料试验件，包括热防护材料和金属底板。

在一个实施例中，热防材料和金属底板均采用截面为正方形的长方体，热防护材料长度和宽度的尺寸比所述金属底板的长度和宽度的尺寸大，优选的，在一个实施例中，热防护材料正方形截面尺寸为100mm～150mm，厚度尺寸不小于8mm，金属底板正方形截面尺寸比热防护材料正方形截面尺寸小10～20mm。厚度尺寸为2mm～6mm。从经济且具有实用性的角度考虑，热防护材料尺寸不宜大于150mm，大尺寸的试验件考核需要使用更为庞大且昂贵的试验设备，若采用小尺度的设备开展大尺度的热防护材料试验，则会导致热防护材料表面热环境状态不均匀，不能满足计算模型中认为热防护材料表面热环境为均匀的这一假设，因此试验件尺寸不宜大于150mm。从测量数据的准确性上考虑，热防护材料的尺寸不宜小于100mm，尺寸越小，热防护材料中心与试验工装的相对距离越近、导热路径越短，工装对于热防护材料传热的影响会更大，会导致测量结果(试验件背面温度)失真，导致修正传热模型的难度增大。为了获得更为稳定且均匀的热防护材料背面温升曲线，热防护材料背面粘接导热性能较好的金属底板，为了避免金属底板与试验工装发生过多的热交换，金属底板边缘尽量远离试验工装，尺寸小于热防护材料本体尺寸10mm～20mm。

热防护材料和金属底板通过耐高温胶粘结，在本实施例中，金属底板选用铝合金材料制成，在其他实施例中，可选用其他金属制成；耐高温胶的厚度为0.3mm～0.5mm，在本实施例中采用硅橡胶。

根据本发明第二个实施例，提供上述一种热防护材料传热模型修正方法，包括以下步骤：

制造热防护材料试验件；

获得热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度；

将热防护材料试验件安装到试验用工装上；

按照试验条件对热防护材料试验件进行电弧风洞试验，测量试验过程中的试验件背面温升曲线、工装温升曲线和冷却水温升曲线；

根据试验条件和试验件的安装状态对安装试验件后的整个工装建立有限元计算模型，根据获得的热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度建立初始传热模型并进行传热计算；

根据试验中测量的冷却水温升曲线和工装边界温升曲线进行传热计算，确定计算模型的边界条件；

根据建立的边界条件和测试得到的试验件背面温升曲线修正热防护材料试验件的传热模型。

为了更好的阐述本发明，如图2所示，结合附图对热防护材料传热模型修正方法做进一步的解释。

根据一个具体的实施例，热防护材料传热模型修正方法，包括以下步骤：

步骤一，制造热防护材料试验件，热防护材料试验件的材料和尺寸如上所述；

步骤二，获得热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度，在本实施例中，初始导热系数、比热容和密度是使用现有测试技术获得的；

步骤三，将热防护材料试验件安装到试验用工装上，如图1所示；在一个实施例中，热防护材料试验件和工装之间设置隔热垫，隔热垫底部与工装之间紧密贴合，是为了保证热防护材料背温曲线更为稳定，避免热防护材料背面与工装发生热交换，使其影响控制在可接受的小量。优选的实施例中，隔热垫的截面尺寸与热防护材料相同，采用“回”型结构设计，中间开孔尺寸不大于20mm×20mm，厚度不小于30mm，常温导热系数不大于0.06w/m·k，在本实施例中，选用刚性陶瓷瓦材料来制作，在其他实施例中可选取符合条件的其他材料。

在一个实施例中，热防护材料试验件与工装之间留有间隙，并采用耐高温热密封胶封堵，在本实施例中，热防护材料试验件与试验工装之间的间隙1mm～1.5mm，采用的耐高温热密封胶为gd414密封胶+氧化铝陶瓷粉。热防护材料与试验工装之间的间隙不宜过大，主要是保证热防护材料与工装之间挤紧，避免在试验过程中被高速气流吹飞；热防护材料与试验工装之间的间隙不宜过小，避免热防护材料与试验工装发生过多的热交换。

步骤四，按照试验条件对热防护材料试验件进行电弧风洞试验，测量试验过程中的试验件背面温升曲线、工装温升曲线和冷却水温升曲线；

步骤五，根据试验条件和试验件的安装状态对安装试验件后的整个工装建立有限元计算模型，根据获得的热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度建立初始传热模型并进行传热计算；

步骤六，根据试验中测量的冷却水温升曲线和工装边界温升曲线进行传热计算，确定计算模型的边界条件；

在本实施例中，试验件表面按照风洞试验的调试热环境状态施加热载荷，试验工装四周设置为与冷却水的对流边界条件，其余部分边界按照绝热处理，试验件各组成部分之间设置为无接触热阻。

在一个实施例中，计算模型边界条件的确定方法为：

s6.1设置冷却水与试验工装之间的初始换热系数；

s6.2根据试验中测量得到的的冷却水温升曲线和初始换热系数，计算得到工装温升曲线；

s6.3根据计算得到的工装温升曲线和测量得到的工装温升曲线进行比较，若最大偏差在允许范围内，则完成换热系数的确定，并确定边界条件；若最大偏差不在允许范围内，进行下一步；

s6.4返回步骤s6.1，修改换热系数，继续s6.2和s6.3。

在本实施例中，计算得到的工装温升曲线和测量得到的工装温升曲线进行比较，最大偏差的允许范围为10％。

步骤七，根据建立的边界条件和测试得到的试验件背面温升曲线修正热防护材料试验件的传热模型。

在一个实施例中，热防护材料试验件的传热模型的建立方法为：

s7.1设置热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度；

s7.2根据计算得到的边界条件和初始导热系数、比热容和密度，通过初始传热模型进行传热计算获得热防护材料试验件的背面温升曲线；

s7.3将计算获得热防护材料试验件的背面温升曲线和测量得到的热防护材料试验件的背面温升曲线做比较，若最大偏差在允许范围内，则完成热防护材料试验件的传热模型的修正；若最大偏差不在允许范围内，进行下一步；

s7.4返回步骤s7.1，修改导热系数，继续s7.2和s7.3。

在本实施例中，计算获得热防护材料试验件的背面温升曲线和测量得到的热防护材料试验件的背面温升曲线做比较，最大偏差的允许范围为10％。

步骤八，重复步骤一到步骤七，对多个厚度的热防护材料试验件建立传热模型，将获得的结果进行拟合，获得适用于多厚度的传热模型，将传热模型推广到不同厚度热防护材料的隔热性能评估。

综上，本发明相比于现有技术至少具有以下优势：

(1)本发明通过换热系数和导热系数的求解和修正，建立了精确度高的热防护材料试验件的传热模型，解决了现有技术中测试精度不够，导致不能获得精确结果的问题；

(2)本发明通过对现有传热模型的修正，解决了电弧风洞试验中因冷却水的问题导致的边界条件不准确和初始换热系数不准确带来的不能精确计算的问题，提高了计算的精度；

(3)本发明通过建立精确的传热模型，解决了同类材料不同厚度、不同温度和不同压力等不同条件下的传热问题，使遇到类似的问题不需要再进行试验，减少了试验的时间和经费的支出。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。