飞行器热防护系统典型热结构热分析边界元算法研究

• 作 者: 王静
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 热辐射 热传导 热防护系统 边界元法 飞行器

热防护系统(TPS)的设计是决定可重复使用运载器(RLV)成败的关键技术。本文以目前应用非常广泛的几种TPS结构为工程背景,研究一种能对其进行有效辐射换热分析的数值方法。由于特殊的工作环境,TPS的传热过程和机理比较复杂,特别是由于气动加热的影响,使得TPS外表面的温度非常高,这时,辐射换热及辐射与其它传热方式的相互耦合会对结构的传热分析产生很大影响。另外,瞬态非线性、非均质材料的热传导也是TPS传热分析中不可避免要遇到的问题。　　
基于边界元法(BEM)在处理辐射换热方面具有独特优势的特点,本文深入研究瞬态非线性、非均质热传导问题的边界元计算方法。对于瞬态非线性和非均质问题,BEM最终形成的积分方程中仍含有域积分,传统的BEM将计算域划分成内部体单元来计算这些域积分,这样一来BEM只需要在边界上划分单元的优势就失去了。本文采用径向积分法(RIM),将积分方程中的域积分完全转化为边界积分,从而形成不需要内部网格的纯边界元算法。另外,还考虑了对流和热辐射边界条件,并根据所述理论推导编制了通用程序RIBEM,通过多种算例与Fluent等软件计算结果的比较,验证了本文所提算法的正确性。　　
利用BEM求解参与性介质辐射换热问题时,所形成的边界积分方程由于在面积分中还含有沿辐射射线方向的线积分,因此传统的方法并没有将域积分完全转化到边界上,本书利用径向基函数展开处理计算边界积分方程中的线积分,从而形成不需要内部体单元的热辐射边界元算法,不仅可以处理灰体介质的辐射换热问题,还可以利用谱带近似的方法处理非灰体介质的辐射换热。本文还提出了一种求解辐射-导热耦合换热问题的边界单元法,该方法对于参与性介质也只需在边界上划分单元,两种传热方式通过辐射热源耦合起来。对此,也编制了通用程序,并且通过对数值算例的分析,证明了本文算法的正确性。　　
最后,本文采用所研制的程序,对功能梯度材料的导弹防热层、纤维隔热材料和蜂窝夹芯结构进行了数值传热分析,得出了较好的计算结果,证明了本文所提出的边界元算法是可行的,其对可重复使用运载器热防护系统的热分析具有良好的借鉴与应用价值。