一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法

本发明涉及热防护，特别涉及一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法。

背景技术：

1、陶瓷基复合材料在高温环境下具有优异的力学性能和化学稳定性，因此在燃烧室等高温应用领域引起了广泛的关注。燃烧室作为一种关键的热能转换设备，其稳定运行对于保障航空航天、能源以及工业领域的可靠性至关重要。然而，高温环境下的燃烧室往往面临复杂的热力耦合效应，这可能导致材料的热应力集中、振动响应异常以及损伤累积，从而缩短燃烧室的使用寿命。

2、因此，很有必要开展陶瓷基复合材料力学响应和损伤机制研究，从而预测和评估不同工况下燃烧室的性能和寿命，并为优化材料选择、结构设计以及工艺参数提供指导。现有的燃烧室烧蚀计算方法多为多物理场耦合仿真，仿真计算需综合考虑复合材料的非线性、各向异性、温度依赖性等因素，并精确描述燃烧室内部的热流、燃烧产物以及结构振动等多个物理场的相互作用。

3、针对以上目前存在的问题，本发明提出了一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法，为燃烧室烧蚀仿真计算提供一条新思路。

技术实现思路

1、本发明提出一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法，发明具体内容如下。

2、一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法，包含以下步骤：

3、步骤1：建立陶瓷基复合材料燃烧室固流耦合模型

4、建立燃烧室和内部燃烧气体的参数化模型并进行合理的网格划分，固体模型与流体模型间设置耦合面，设置燃烧室材料种类为陶瓷基复合材料，流体模型采用标准k-epsilon两方程湍流模型，忽略分子粘性；

5、依据质量守恒定律，设置流体运动的连续性方程：

6、

7、式中，ρ为燃烧气体密度，t为时间，v为燃烧气体流量；

8、依据牛顿第二定律，设置流体运动的动量方程：

9、

10、

11、

12、式中，u、v、w为燃烧气体三个正交方向的流动平均速度，p为燃烧室内压力，fx、fy、fz为燃烧气体三个正交方向的体积力；

13、依据能量守恒定律，设置流体运动的能量方程：

14、

15、式中，e为流体能量，q为热传导能量；

16、依据热力学定律，用能量方程来描述整个系统的热交换状态，其微分形式为：

17、

18、式中，e是流体总能量，k是热传导系数，s是熵；

19、使用固体控制方程用来描述流体激发结构振动位移的状态，其微分形式为：

20、

21、式中，m是质量矩阵，d是阻尼矩阵，s是刚度矩阵，是作用在结构上的力，x是位移；

22、步骤2：建立烧蚀边界推移计算模型

23、针对燃烧室开展流体烧蚀瞬态仿真计算，获得各烧蚀阶段燃烧室内气体流速、压强、温度与燃烧室壁面的烧蚀边界推移距离；

24、使用维也里燃烧模型进行燃烧室壁面烧蚀计算，燃烧公式为：

25、

26、式中，r为推进剂线性燃速，ρc为燃烧室内压强，at为喉部面积，ab为燃面，ρp为推进剂密度，c*为特征速度；

27、特征速度计算公式为：

28、

29、使用动网格技术实现烧蚀过程的瞬态计算，将网格节点之间的连接线近似为弹簧，再通过计算节点之间力平衡方程得到各节点光顺后的位置，从而得到壁面烧蚀流体外扩后的表面网格分布。节点近似弹簧弹力计算公式为：

30、

31、式中，与为节点i与节点j的位移，ni为与节点i相连的节点数量，kij为节点i与节点j之间的弹簧刚度；

32、当弹簧力达到平衡时，可计算得到节点位移量：

33、

34、式中，m为节点位移值计算迭代次数；

35、当完成对节点位移的计算后，更新流体模型网格位置：

36、

37、步骤3：开展定烧蚀量燃烧室热力固流耦合分析

38、根据步骤2计算获得烧蚀边界推移模型，针对某一特定烧蚀状态下的烧蚀量，建立燃烧室固流耦合仿真模型，将定烧蚀量计算条件下固流耦合稳态计算结果中的温度场导入燃烧室热力耦合仿真模型，再设置气体作用载荷及边界条件，进行单向耦合计算，忽略由气体压强等力学载荷造成的燃烧室壁面变形对流体场的影响；

39、步骤4：开展定烧蚀量燃烧室振动特性分析

40、针对燃烧室在定烧蚀量下的振动特性，将步骤3计算获得的稳态静力场作为预定义场，开展燃烧室模型模态分析和随机振动分析；

41、带预应力模态分析特征值方程为：

42、([k+s]-ωi[m])·{φi}＝0

43、式中，[k]为燃烧室刚度矩阵，[s]为燃烧室预应力场矩阵，[m]为燃烧室质量矩阵，ωi与φi为需求解的振动频率与模态；

44、基于模态叠加法的随机振动响应功率谱密度为：

45、

46、式中，γj、γk分别为第j、k阶振型的参与系数，φj为第j阶质量归一化振型，为φk的转置矩阵，hk(ω)为第k阶振型下的频响函数，表示hj(ω)的共轭矩阵，sa(ω)为随机激励功率谱密度。

47、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

48、1.使用维也里燃烧模型与动网格技术模拟了燃烧室壁面烧蚀边界推移的过程，获得了可信的烧蚀量；

49、2.使用固流耦合仿真模型开展了瞬态计算和稳态计算，获得了燃烧室壁面的烧蚀速度和各烧蚀状态下的流体场温度与压强；

50、3.通过热烧蚀边界推移及内压、外载荷耦合仿真分析方法研究，开展燃烧室结构烧蚀热-力耦合仿真分析，获得了燃烧室结构在相应热力环境下热应力分布、结构失效特征；

51、4.使用带预应力场的模态分析和随机振动分析研究了燃烧室模型的振动特性，获得了不同温度、力学条件下的燃烧室振动性能，为燃烧室的热防护和重复利用研究提供了重要的参考。

技术特征：

1.一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法主要包括：在调研现有模型简化方式的基础上，构建燃烧室复合材料热力耦合动态仿真几何模型，为后续仿真分析提供模型基础；通过热烧蚀边界推移及内压、外载荷耦合仿真分析方法研究，开展燃烧室结构烧蚀热-力耦合仿真分析，得到燃烧室结构在相应热力环境下热应力分布、结构失效特征；开展燃烧室结构模态分析与随机振动特性分析，获得燃烧室结构的低阶固有频率、振型、随机振动动应力等。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法，其特征在于包含以下步骤：

技术总结
本发明提出了一种陶瓷基复合材料燃烧室热力固流耦合仿真分析方法，建立了陶瓷基复合材料燃烧室的多尺寸参数化烧蚀模型，综合考虑了固流耦合与热力耦合作用对燃烧室结构性能的影响，获得了燃烧室壁面的烧蚀边界推移量，并对燃烧室开展热力学性能分析，获得了燃烧室在有预应力条件下的模态和随机振动条件下的动应力情况，研究了陶瓷基复合材料高温高压恶劣工作环境下的防护性能。本发明综合考虑热力固流耦合工作状态下的陶瓷基复合材料燃烧室的使用性能，对燃烧室的热防护和重复利用研究具有重要价值。

技术研发人员：吴琼,余鹏,张洛伊,高瀚君,陈晓满,闫坤
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15