高超聲速飛行器燒蝕防熱理論與應用（簡體書）

本書是對作者30餘年關於燒蝕問題研究工作的總結。燒蝕熱防護技術是空氣動力學和傳熱學的重要研究領域，是高超聲速飛行器研製的關鍵技術。為了能使初學者和應用工作者對飛行器燒蝕問題有一個全面的瞭解，作者力圖對燒蝕熱防護技術進行全面的介紹。首先簡要介紹了燒蝕的基本概念和分類、燒蝕模型所需要的高溫邊界層理論、燒蝕表面化學動力學相互作用等內容；隨後重點介紹了矽基、碳基、炭化和陶瓷基複合材料等各種類型燒蝕防熱材料的燒蝕機理、機械剝蝕和粒子雲侵蝕原理、防熱結構內部熱響應、燒蝕外形變化和質量引射及粗糙度、氣動熱/燒蝕/傳熱相互作用等領域的技術進展和成果應用，以及相關的工程計算方法和地面試驗技術等等，最後對未來的燒蝕熱防護研究工作進行了展望。本書內容主要來源於作者以往在氣動熱和燒蝕研究方面取得的成果，其間也介紹和引用了國內外的相關進展；對於作者涉足較少的細觀燒蝕以及複合材料微尺度傳熱部分，為了全書的完整性，也在總結文獻的基礎上進行了簡要介紹。

目錄
叢書序
序
前言
第1章 概論 1
1.1 引言 1
1.2 高超聲速流動和氣動加熱概念 8
1.2.1 氣動加熱與飛行速度的關係 9
1.2.2 飛行器表面輻射平衡溫度 13
1.3 高超聲速飛行器的熱防護概念 14
1.3.1 被動防熱方案 15
1.3.2 半被動防熱方案 16
1.3.3 主動防熱方案 16
1.4 燒蝕基本概念 17
1.4.1 燒蝕的定義 17
1.4.2 有效燒蝕熱(焓) 17
1.4.3 燒蝕量的簡單估算 18
1.5 燒蝕材料及分類 21
1.5.1 燒蝕材料的構成及類型 21
1.5.2 典型燒蝕材料及用途 23
1.5.3 燒蝕材料在不同任務類型飛行器中使用情況 24
1.6 材料燒蝕機理和相關物理問題 25
1.6.1 燒蝕表面質量平衡 26
1.6.2 燒蝕表面能量平衡方程 30
1.7 燒蝕對飛行器氣動特性的影響 31
1.8 影響燒蝕的主要因素 32
1.9 燒蝕的新問題與新概念 35
參考文獻 36
第2章 高溫邊界層傳熱基礎知識 40
2.1 引言 40
2.2 氣動加熱的一些基本知識 40
2.2.1 傳熱的基本形式 41
2.2.2 傳熱係數 44
2.2.3 恢復溫度和恢復焓 45
2.2.4 參考溫度和參考焓 47
2.2.5 邊界層轉捩 49
2.2.6 不同流態的氣動加熱 50
2.2.7 高溫氣體熱力學和熱化學基本知識 52
2.3 多組元反應氣體流動的基本方程 56
2.4 邊界層方程 60
2.5 流動的化學狀態 66
2.6 壁面催化反應 67
2.7 邊界層的近似比擬關係 69
2.7.1 邊界層質量擴散與傳熱的比擬關係 69
2.7.2 邊界層擴散與速度的雷諾比擬關係 70
2.8 可壓縮邊界層方程的相似解 71
2.8.1 可壓縮邊界層方程的相似變換 71
2.8.2 離解空氣的二組元簡化 73
2.8.3 平衡邊界層方程的駐點解 75
2.8.4 零攻角層流邊界層熱流 82
2.8.5 零攻角湍流邊界層熱流 83
2.8.6 轉捩區熱流 84
2.8.7 有攻角表面熱流 84
參考文獻 85
第3章 燒蝕表面化學動力學和相容關係 87
3.1 引言 87
3.2 燒蝕表面異相化學反應動力學理論 87
3.2.1 異相反應的基本原理 88
3.2.2 表面反應動力學 88
3.2.3 表面蒸發動力學 90
3.2.4 表面反應的通用表達式 91
3.3 表面質量相容性條件 92
3.3.1 表面燒蝕的質量相容關係 92
3.3.2 帶有表面燒蝕和內部熱解一般情況的質量相容關係 94
3.4 表面能量相容性條件 94
3.4.1 質量引射係數 96
3.4.2 粗糙度熱增量 98
參考文獻 99
第4章 矽基複合材料燒蝕理論 100
4.1 引言 100
4.2 矽基複合材料燒蝕機理 101
4.2.1 樹脂熱分解 101
4.2.2 液態層問題 102
4.2.3 表面反應問題 103
4.3 液態層流動方程及解析分析 103
4.4 矽基複合材料燒蝕的工程計算方法 106
參考文獻 111
第5章 碳基材料燒蝕理論 112
5.1 引言 112
5.2 碳基材料的燒蝕機理 113
5.2.1 碳與空氣的表面化學反應 113
5.2.2 碳的昇華特性 117
5.2.3 碳基材料的力學剝蝕特性 118
5.3 碳基材料的氧化動力學模型 119
5.3.1 各種經典氧化動力學模型 120
5.3.2 各種經典燒蝕模型比較 128
5.4 碳基材料氧化燒蝕的“快/慢”反應和“單/雙”平臺問題 131
5.4.1 CO2在燒蝕計算中的作用及快、慢反應的關係 133
5.4.2 碳氧反應的雙平臺理論和控制區劃分 134
5.5 碳基材料的全溫區燒蝕計算方法 139
5.5.1 全溫區燒蝕計算模型 139
5.5.2 碳/碳燒蝕計算結果與試驗結果的比較 146
5.5.3 焓值和壓力對碳基材料燒蝕的影響 147
參考文獻 149
第6章 熱解炭化材料的燒蝕熱響應理論 151
6.1 引言 151
6.2 炭化材料的分類和熱解特性 153
6.2.1 炭化材料的種類及熱物理特性 153
6.2.2 炭化材料的熱解特性 154
6.3 炭化材料的燒蝕和內部熱響應特性 157
6.3.1 炭化材料燒蝕熱響應 157
6.3.2 炭化層表面的熱化學燒蝕 158
6.3.3 熱解氣體注入邊界層效應 159
6.3.4 熱解氣體對炭化層溫度的影響 160
6.4 炭化材料燒蝕熱響應計算的分層模型 161
6.4.1 熱解面分層模型 161
6.4.2 熱解區分層模型 162
6.4.3 一維分層模型計算與試驗結果的比較 163
6.5 炭化材料燒蝕熱響應的一維連續模型 167
6.5.1 連續熱解動力學模型 167
6.5.2 一維連續模型的數值求解方法 169
6.5.3 表面有熔化的連續模型 182
6.6 炭化材料二維燒蝕熱響應計算方法 189
6.6.1 二維連續模型計算方法 189
6.6.2 熱解氣體橫向流動的影響 193
6.6.3 蜂窩夾層對結構溫度的影響 195
6.7 炭化材料三維燒蝕熱響應計算方法 198
6.7.1 三維熱響應的連續模型 198
6.7.2 動網格策略 201
6.7.3 三維燒蝕熱響應控制方程的有限元離散 203
6.7.4 算例 209
參考文獻 213
第7章 陶瓷基複合材料燒蝕理論 215
7.1 引言 215
7.2 形成液態抗氧化膜的燒蝕模型 216
7.2.1 C/SiC複合材料的氧化特性分析 216
7.2.2 C/SiC活性氧化計算模型 218
7.2.3 活性氧化→惰性氧化的轉化條件 222
7.2.4 惰性氧化計算模型 225
7.2.5 惰性氧化→活性氧化的轉化條件 231
7.2.6 C/SiC材料燒蝕計算結果 232
7.3 形成固態抗氧化膜的燒蝕模型 233
7.3.1 材料的成分和結構 233
7.3.2 燒蝕機理分析 234
7.3.3 基體ZrC的惰性氧化燒蝕 236
7.3.4 表面剝蝕計算方法 238
7.3.5 基體材料熱傳導計算方法 240
7.3.6 C/ZrC材料燒蝕計算結果 247
7.4 孔洞和微裂縫燒蝕模型 251
7.4.1 化學反應 252
7.4.2 孔洞氧化燒蝕的計算模型 253
7.4.3 邊界條件 255
7.4.4 方程求解方法 256
7.4.5 討論 257
7.4.6 典型計算結果 258
7.5 複合材料分段協同燒蝕模型 262
7.5.1 ZrB2材料的燒蝕機理 262
7.5.2 碳纖維增強SiC和ZrB2複合材料協同燒蝕機理 269
參考文獻 278
第8章 大氣中雲粒子對飛行器的侵蝕 282
8.1 引言 282
8.2 大氣雲粒子環境 283
8.2.1 大氣雲粒子環境描述方法和天氣嚴重等級 283
8.2.2 雲粒子的微觀結構 284
8.2.3 典型地區天氣剖面 289
8.3 雲粒子在激波層中的質量損失和速度衰減 294
8.3.1 天氣粒子在激層中的質量損失 294
8.3.2 天氣粒子在激波層內的速度衰減 296
8.3.3 激波層中粒子的阻力係數 297
8.4 粒子侵蝕機制和質量損失 300
8.4.1 粒子與靶材的撞擊特性 300
8.4.2 抗侵蝕係數CN和質量侵蝕比G的確定 307
8.4.3 粒子侵蝕產生的熱增量 313
8.5 粒子侵蝕的相似律及試驗模擬問題 316
8.5.1 粒子雲環境模型簡化 317
8.5.2 粒子雲侵蝕的相似律 317
8.5.3 粒子侵蝕試驗模擬準則 319
8.5.4 地面試驗的相關性分析 322
8.6 粒子雲侵蝕數值仿真和算例分析 323
8.7 自由飛彈道靶侵蝕試驗技術 329
8.7.1 試驗系統 330
8.7.2 試驗模型 331
8.7.3 數據採集與處理 332
8.7.4 典型的試驗結果 335
8.8 電弧加熱器侵蝕/燒蝕耦合試驗技術 336
8.8.1 試驗設備 336
8.8.2 參數測試技術 338
8.8.3 應用 341
8.9 模型自由飛粒子雲侵蝕試驗技術 342
參考文獻 344
第9章 燒蝕/侵蝕外形變化和質量特性 345
9.1 引言 345
9.2 燒蝕/侵蝕外形的描述方法 345
9.2.1 瞬時坐標系 346
9.2.2 非對稱燒蝕/侵蝕外形的數值逼近 348
9.3 燒蝕/侵蝕外形微分方程的性質 353
9.3.1 燒蝕/侵蝕外形方程 353
9.3.2 燒蝕/侵蝕外形方程的性質 355
9.3.3 形變方程的擬線性化 355
9.4 燒蝕/侵蝕外形方程的求解方法 356
9.4.1 附加人工耗散項的隱式差分求解方法 356
9.4.2 求解燒蝕/侵蝕外形方程的NND格式 360
9.4.3 燒蝕/侵蝕外形計算結果分析 361
9.5 飛行器燒蝕/侵蝕外形的質量、重心和慣量計算 367
參考文獻 371
第10章 複雜防熱結構傳熱分析 373
10.1 引言 373
10.2 三維熱響應的非結構網格計算方法 373
10.2.1 三維各向同性材料熱響應有限體積計算方法 373
10.2.2 正交各向異性材料熱響應有限體積計算方法 376
10.2.3 考核算例 378
10.3 輻射/導熱混合傳熱問題 383
10.3.1 透明介質一維輻射導熱耦合傳熱 383
10.3.2 氣凝膠和纖維類隔熱材料的隔熱性能計算 385
10.4 細編穿刺複合材料多尺度傳熱特性 390
10.4.1 介觀/細觀結構模型 391
10.4.2 編織結構傳熱特性計算分析 393
參考文獻 399
第11章 多場耦合燒蝕計算方法 401
11.1 引言 401
11.2 燒蝕耦合計算方法的發展歷程 401
11.3 六自由度彈道計算方法簡介 405
11.3.1 坐標系的定義及變換關係 405
11.3.2 質心動力學和運動學方程 407
11.3.3 地球自轉及扁率的影響 408
11.3.4 補充關係式及彈道方程的求解 409
11.4 氣動力工程預測方法 410
11.4.1 部件疊加法 410
11.4.2 推廣內伏牛頓流理論 412
11.4.3 氣動力在彈道方程中的引入 413
11.5 常規燒蝕耦合計算 413
11.5.1 燒蝕耦合計算