飞行器金属热防护系统隔热毡受热分析

摘要

金属热防护系统(MTPS)是可重复使用运载器的关键防热技术，由于金属热防护系统较之传统热防护系统有便于更换、成本低廉、易于设计等优点，在新一代飞行器上大量使用。对金属热防护系统的传热分析实际上就是对陶瓷纤维隔热毡的传热分析。陶瓷纤维隔热毡主要有三种不同的密度型号，它们在整体隔热毡中所占比重不同会导致整体隔热毡表现出不同的隔热性能。
　　 本文采用理论推导和数值算法相结合的方法来分析陶瓷纤维隔热毡的传热过程。据此方法，在表面热环境已知的情况下可得出导热系数最小、隔热性能最佳的陶瓷纤维隔热毡配比。
　　 本文首先确定三种密度的陶瓷纤维在什么温度下导热系数最低。给出三种密度下当量导热系数随温度变化曲线，根据这些曲线的交点得出如下结论：温度在0～405℃区域中变化时密度为96kg/m3的陶瓷纤维隔热毡具有最低的当量导热系数；温度在405～553℃区域中变化时密度为128kg/m3的陶瓷纤维隔热毡具有最低的当量导热系数；温度在553℃以上区域中变化时密度为160kg/m3的陶瓷纤维隔热毡具有最低的当量导热系数。
　　 金属热防护系统陶瓷纤维隔热毡的传热过程主要包括三部分：固相传热，对流传热和热辐射。本文对三者的导热系数分别进行推导，并仿照傅立叶定律的形式得出隔热毡传热计算模型。在一维瞬态分析中，通过求解一维瞬态传热方程可得出每一厚度下，温度与时间的关系。最终得出整体导热系数最低时三种不同密度隔热毡的厚度：密度为160kg/m3的隔热毡厚度为0.0395m；密度为128kg/m3的隔热毡厚度为；密度为96kg/m3的隔热毡厚度为0.0115m，得出不同时刻温度沿厚度方向的分布。在进行三维瞬态数值模拟时，首先得到了纤维隔热毡的横向导热系数。考虑到与热流平行方向的热量渗入引起的热短路，并将它作为对流边界条件加载在壁面上。通过有限元软件进行计算，最终得到了满足使用要求并且导热系数最低的隔热毡及其温度分布。
　　 本文还分析了低温长时间载荷条件下的隔热毡温度分布。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2本文的研究背景

1.3本文的研究内容

1.4本文的分析思路

第2章隔热毡热量传递基本原理

2.1传热的意义和模式

2.2传热原理及速率方程

2.2.1热传导

2.2.2对流

2.2.3热辐射

2.2.4导热的三种定解条件

2.3能量守恒

2.4隔热毡中的热量传递过程分析

2.5本章小结

第3章陶瓷纤维隔热毡一维稳态传热分析

3.1一维稳态传热原理

3.1.1隔热毡固相传导

3.1.2隔热毡辐射导热

3.1.3隔热毡内气相对流传导

3.2有效导热系数

3.2.1有效导热系数相关概念

3.2.2数值积分求解有效导热系数

3.3.3用MATLAB软件求解有效导热系数

3.3当量导热系数

3.4本章小结

第4章陶瓷纤维隔热毡一维瞬态导热分析

4.1陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热模型

4.2数值方法求解热传导方程

4.2.1有限差分法基本概念

4.2.2有限差分法离散热传导方程

4.2.3边界条件的离散

4.3 MATLAB编程实现有限差分法

4.4一维瞬态分析结果

4.5本章小结

第5章陶瓷纤维隔热毡三维瞬态数值模拟

5.1隔热毡三维瞬态传热模型

5.1.1隔热毡三维瞬态传热的基本微分方程

5.1.2横向导热系数的确定

5.2三维瞬态传热分析初始条件及边界条件

5.3三维瞬态传热结果及分析

5.3.1 Ansys模型的建立

5.3.2求解结果分析

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢