长时间飞行条件下表面注入对烧蚀热防护系统耦合热效应的数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Numerical study on the influence of surface injection on the coupled thermal effects of ablative thermal protection systems under long-duration flight conditions

　　

**摘要**

在高速流动条件下，表面吹除现象广泛存在于消融热防护系统（TPS）中，其对热防护系统热效应的影响表现出强耦合特性。然而，由于涉及多物理场和多过程，可用的耦合数值模拟方法很少，尤其是针对长时间飞行条件。本文针对长时间飞行场景，开发了一种考虑表面吹除的消融热防护系统流-热耦合数值方法。在高速飞行器典型长时间巡航条件下进行了数值模拟，研究了具有表面吹除的消融热防护系统的耦合热效应，阐明了表面吹除影响气动热环境和结构热响应的机理。结果表明，在吹除条件下，气-固界面处形成热流-温度-压力-吹除质量流率的耦合平衡状态。表面吹除可将壁面热流降低60%以上，改变气动载荷，显著延迟材料内部的热解过程数百秒，并降低整个固体域的温度。吹除引起的冷却效应具有显著的空间-时间特性，这主要是由于不同消融和热解反应机理导致的吹除通量时空分布差异所致。本研究可为长时间高速飞行器热防护系统的研究、设计和优化提供数值工具和理论支持。

**引言**

近年来，随着高速飞行器技术的快速发展，飞行器热安全领域面临新的挑战。特别是高速飞行器的服役条件发生了巨大变化，导致其气动热环境与常规高速再入飞行器截然不同[1]。首先，为实现更好的气动性能，飞行器头锥和机翼的前缘曲率半径通常被减小，这显著增加了关键部位的壁面热流。其次，为满足长时间巡航和可重复使用的要求，飞行器表面在整个飞行过程中必须保持可忽略的变形。第三，巡航时间大大延长；除峰值热流外，长时间飞行条件下热环境和结构热响应的演化特征亟待阐明[2]。

面对这些新挑战，开发高性能热防护技术至关重要。表面吹除热防护技术显示出独特优势，有望解决先进飞行器的热安全问题[3]。与传统热防护系统相比，该技术具有卓越的热流降低效率，可在承受严酷气动热加热环境的同时保护飞行器表面，并满足结构变形可忽略的要求。表面吹除的热防护机理有两个方面：一方面，材料在加热下发生反应，反应产物带走固体基体中的部分热量；另一方面，吹除流体进入主流后在飞行器表面附近形成保护膜，加厚边界层，阻挡部分气动热传递至壁面，从而有效保护表面[4]、[5]。总之，表面吹除热防护技术在解决高速临近空间飞行器热安全问题方面具有广阔的应用前景。

在固体域内，从气-固界面传递的热流提高了材料温度并触发热解反应。一方面，热解产生气态产物；另一方面，将完整固体材料转化为多孔介质。在压力梯度驱动下，热解气体穿过多孔基质流向气-固界面，在此输运过程中气体与固体骨架之间发生对流换热[6]、[7]、[8]。在气-固界面处，高温引发表面烧蚀、蒸发/升华、熔化等过程，所有这些过程都产生气态产物。热解和烧蚀反应产生的流体从表面脱离并注入流场。同时，壁面承受气动热和机械载荷并将其传递给固体域[9]。在流体域中，热解和烧蚀产物注入主流显著改变气动热环境。据此可得出两个关键结论。首先，表面吹除气体的产生、输运和注入流场涉及多物理场耦合和多过程相互作用，这主导了消融热防护系统的整体热效应，不可忽略。对于酚醛材料，气化率在1037 K时达到50%。对于典型碳化材料，温度超过800 K时热解质量损失率超过50%，产生的气体完全注入流场[9]。Reynier P的一项调查显示，" Stardust"（星际尘埃）探测器在大气再入期间表面吹除率最高可达13%[10]。Ahn H K对先驱者金星探测器的研究表明，材料烧蚀引起的表面吹除使金星大气再入期间的壁面热流减少约55%-60%[11]。本团队此前的工作表明，在典型高速飞行器条件下，吹除气体流量为0.05 kg/(m2·s)时壁面热流可减少约40%[4]。其次，由于材料反应与温度和压力密切相关，而温度和压力源于气动热和机械载荷，反应产物流体的输运和注入又反过来影响材料内部温度和气动热环境。因此，吹除对消融热防护系统热效应的影响构成复杂的耦合问题。

目前，已有许多耦合数值研究对此问题进行了调查。Fan Y X等人进行了考虑热解气体吹除的流场单向耦合数值模拟，其中热解气体吹除条件通过材料烧蚀热响应程序获得，并分析了热解气体吹除对气动热加热的影响[12]。Ding C等人建立了考虑热解气体流动和传热的烧蚀热响应模型，采用吹除系数修正壁面热流以反映吹除对气动热环境的影响，并对消融热防护系统进行了耦合数值研究[13]。本团队此前的工作开发了一种双向流-热耦合数值方法，考虑了表面反应产物的吹除。对于固体域，仅考虑了表面化学反应和均匀热传导，而忽略了多孔介质中的内部热解和流动传热。结果证实表面吹除对热防护系统热行为具有显著耦合效应[14]。Cross P G等人建立了火箭发动机热防护系统的耦合数值方法，考虑了烧蚀产物的输运和吹除以及表面变形。采用紧密耦合策略，揭示了烧蚀和表面变形改变热环境的耦合现象[15]。

目前，针对考虑表面吹除的消融热防护系统现象的数值研究已取得一定进展，但仍面临诸多挑战。首先，现有研究已获得对吹除对流场和固体域独立影响规律的基本认识。然而，在吹除条件下，消融热防护系统的气动热性能与热响应之间的耦合特性突出，由于单域研究的局限性，许多关于热防护系统整体热效应的影响机理尚不清楚。其次，虽然已开发了若干针对吹除条件下消融热防护系统的耦合数值方法，但在应用于高速飞行器问题分析时仍存在局限性。在单域计算方面，数值模型中通常采用简化假设以降低耦合计算成本。这些方法有效提高了计算效率，但牺牲了对物理机理的分析。例如，一些研究采用吹除系数等工程方法修正壁面热流以获得气动热载荷，而实际上并未模拟吹除流体进入流场的过程。其他研究忽略了热解气体在多孔介质中的输运过程，而这对固体域温度场和热解气体物性有显著影响。在耦合数据传输方面，一些研究通过忽略两个域之间反应产物气体的传递来简化问题，忽略了吹除对整体热效应的影响。在耦合策略方面，单向耦合不足以反映气动热和热响应行为之间的强相互作用，并可能导致数值偏差。尽管完全耦合策略保证了计算精度，但其计算成本高，难以应用于工程实践[16]。特别是，随着具有较长飞行时间和复杂构型的高速飞行器的发展，耦合模拟的计算成本进一步增加。第三，受限于长时间飞行条件下考虑表面吹除的消融热防护系统可用耦合数值模拟方法的稀缺，相关流-热耦合机理研究仍不充分。特别是，表面吹除对整体热效应的时空影响规律和内在机理仍需要阐明。

本研究针对以往研究中存在的问题，开发了一种考虑表面吹除的长时间条件下消融热防护系统流-热耦合数值方法。基于所提出的方法，对长时间条件下消融热防护系统的整体热效应进行了数值模拟，分析了表面吹除对气动热特性和热响应的影响规律，并阐明了内在影响机理。

**章节片段**

**耦合数值计算方法**

本研究基于作者团队自主开发的热环境与结构响应对比分析平台（CAPTER）[4]、[14]、[17]，开发了一种考虑消融和热解产物吹除的长时间飞行条件下消融热防护系统流-热耦合计算方法。所提出的方法包括表面吹除条件下气动热环境的数值计算方法、

**计算模型和计算条件**

基于考虑消融和热解产物吹除的长时间飞行条件下消融热防护系统流-热耦合计算方法，进行了数值模拟以研究热解-烧蚀产物吹除对热防护系统耦合热效应的影响规律和机理。选择尺寸为100 mm × 5 mm × 15 mm的平板作为计算模型。流场网格和

**结果与讨论**

首先检验耦合计算的收敛性以保证数值结果的准确性。以耦合时间为100 s为例，图8、图9、图10、图11展示了不同迭代轮次下耦合时间100 s时壁面热流、壁面温度、壁面压力和吹除气体质量流量的分布，左侧子图显示变量沿模型长度的分布，而右侧子图展示变化的

**结论**

为应对长时间高速临近空间飞行器的关键热安全挑战并克服现有消融热防护系统耦合数值方法的局限性，基于自主开发的CAPTER平台开发了一种长时间飞行条件下具有表面吹除的消融热防护系统流-热耦合数值方法。该方法整合了经验证的表面吹除条件下气动热环境数值方法和

**CRediT作者贡献声明**

Qi You：形式分析、数据整理、概念构思。Zhenxun Gao：概念构思。Binxian Shen：数据整理。Xiao Liu：验证。Xiaofeng Yang：数据整理。Lei Zeng：概念构思。Chongwen Jiang：概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

**致谢**

作者衷心感谢国家自然科学基金（92571203，52522602）的财政支持。本研究还由国家数值风洞项目共同支持。

Qi You | Zhenxun Gao | Binxian Shen | Xiao Liu | Xiaofeng Yang | Lei Zeng | Chongwen Jiang