热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析 2006VIP免费

收稿日期:2005-07-13;修回日期:2005-10-08作者简介:赵淑媛,1980年出生,硕士研究生,主要从事金属热防护系统隔热性能的分析与测试研究工作热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析赵淑媛张博明赫晓东(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001)文摘针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型。通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率。计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低。本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考。关键词热防护系统,有效热导率,纤维隔热毡,传热AnalysisofHeatTransferandEffectiveThermalConductivityofHighTemperatureFibrousInsulationforThermalProtectionSystemZhaoShuyuanZhangBomingHeXiaodong(CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001)AbstractThecombinedradiation/conductionheattransferinhigh2temperaturefibrousinsulationofthermalprotectionsystemforreusablelaunchvehicles(RLV)isinvestigatedinthepresentstudy.Anumericalmodelanal2ysisofthermalinsulationisgivenbyusingone2dimensionalfinitedifferentialtechnique.Thegoverningheattransferequationsaresolvednumericallyandeffectivethermalconductivityiscalculatedfromthesteady2stateresults.Theresultsshowthatradiationandgasconductionaretwomainheattransfermechanismsinfibrousinsulation.Radia2tiondecreaseswithincreasingpressureandinsulationdensity.Radiationisthemainheattransfermechanismonthehotside,whilegasconductionisthemainheattransfermechanismonthecoldside.Theeffectivethermalconduc2tivityofinsulationsincreaseswithincreasingthemeandiameteroffiber,pressureandtemperaturedifferenceanddecreaseswithincreasinginsulationdensity.Calculationresultsareingoodagreementwithexperimentaldatafromliterature.Theresultsarehelpfultotheoptimumdesignoffibrousinsulationforreusablelaunchvehicles.KeywordsThermalprotectionsystem(TPS),Effectivethermalconductivity,Fibrousinsulation,Heattrans2fer1引言金属热防护系统(TPS)作为可重复使用运载器的重要组成部分,可使飞行器避免其再入大气层时受到的严重气动热[1]。金属TPS系统是一种在金属壳中封入绝热材料的复合结构,在该结构中,纤维隔热毡起到了主要的隔热作用。因此对纤维隔热毡进行传热分析,并对它的性能进行研究具有重要意义。—32—宇航材料工艺2006年增刊Ⅰ©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net目前研究的金属TPS中的隔热毡需要承受11333～11013×105Pa的环境压力,其热表面承受的温度高达1000℃[2]。通过隔热毡的传热为多种传热方式的混合:(1)固体传导;(2)气体传导和通过纤维间隙的自然对流;(3)纤维与周围参与介质的辐射交换。传热模式的复杂耦合使纤维隔热毡的分析和设计变得很困难。国外对纤维隔热毡的数值分析研究一直很重视,建立了一些温度压力在一定范围内变化的数值分析模型[3～4]。而国内对于温度和压力范围内变化的隔热毡的传热及性能研究则较少。本文在借鉴前人研究成果的基础上,在重复使用运载器TPS高温纤维隔热毡传热数值分析方法和各因素对有效热导率的影响方面进行研究。2高温纤维隔热毡数值分析模型纤维隔热毡的传热机制主要包括固体传导、气体传导、对流及辐射。自然对流在环境压力大于11333×102Pa的时候是很显著的,假设隔热毡被限制在两个大的水平板之间,且下平板比上平板具有较低的温度,因此这种假设可以忽略自然对流传热。在再入过程中隔热毡经受巨大的气动加热,在与外层平行方向...