模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，本方法通过给定时间步长，基于燃气气体组分和试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO

A method to simulate the ablation morphology of ceramic matrix composites in high temperature gas environment

【技术实现步骤摘要】
模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法
本专利技术涉及航空航天材料烧蚀的
，尤其涉及模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法。
技术介绍
连续碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuoussiliconcarbidefiberreinforcedsiliconcarbidecomposites，简称SiCf/SiC)不仅具有低密度、高比强度、高比模量、高韧性等性能，同时具有优异的高温力学性能及高温稳定性，成为航空发动机及航天高温结构部件的候选材料之一。在高速燃气流作用下，材料表面温度迅速升高，燃气来流中包含着氧化性气体，在高温环境下，与材料表面发生复杂化学反应，发生热化学反应烧蚀。同时，烧蚀产物二氧化硅在高温下呈熔融态，氧气在二氧化硅中的扩散系数极低，二氧化硅的产生能够有效降低材料表面烧蚀速率。但是，高速气流的存在会影响二氧化硅在试件表面的分布，从而对烧蚀速率有着重要影响，使得烧蚀过程中的力学性能预测变得困难。因此，研究SiCf/SiC复合材料在高温燃气烧蚀环境下的形貌分布有着重要的意义。由于SiCf/SiC是一种新型结构材料,国内外还没有高效的方法能较为准确地预测烧蚀，也未见公开的专利技术专利。张杰等(张杰,魏鑫,郑力铭，等.C/SiC复合材料在空气中的氧化烧蚀.推进技术,2008(04):488-493.)建立了SiC平板在燃气冲刷条件下的一维烧蚀模型，模型中考虑了氧气的传质和材料内部瞬态热响应。在求解域上划分网格，氧化膜的增长速率采用差分离散，内部热响应部分采用全隐格式。同时分析控制材料烧蚀的两种因素：化学反应动力控制和扩散控制机制。张红军等(张红军,康宏琳.C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究.宇航学报,2019,40(02):223-230.)基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型，开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究，并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证，理论计算结果与实验结果符合较好，并探讨了不同条件下C/SiC材料的氧化烧蚀机理及其对材料烧蚀特性的影响规律。但上述模型的建立和烧蚀形貌的模拟均未考虑燃气流与液态层的相互作用对烧蚀速率的影响。当前,如何准确模拟陶瓷基复合材料在高温燃气烧蚀环境下的形貌是本
重要而难以解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，为SiCf/SiC结构件在高温燃气环境下的力学性能预测奠定基础。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其中：包括以下步骤：步骤一：通过燃气对陶瓷基复合材料试件进行烧蚀实验，给定燃气燃烧燃气比例，确定火焰温度大小，燃气流速和气体组分含量；步骤二：在实验过程中持续对试件表面温度进行采样，获得试件表面温度分布；步骤三：给定时间步长，基于步骤一中给定的气体组分含量以及步骤二中测得的试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率，得到该时间步长下的试件的初始形貌并获得试件表面氧化膜SiO2厚度，步骤四：基于步骤一给定的燃气流速，得到试件表面气动力分布，得到气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力，将气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力与试件表面氧化膜SiO2不同厚度处的粘附力进行气液两相流耦合求解，得到被吹走的液态试件表面氧化膜SiO2厚度和依然粘附在试件表面上的液态试件表面氧化膜SiO2厚度；得到该时间步长下的试件的最终形貌；步骤五：基于步骤四得到的试件的最终形貌，基于步骤二中测得的试件表面温度分布，求解氧化膜SiO2的热传导方程，获得试件固液交界面处的温度分布；步骤六、根据步骤一中给定的气体组分中的氧浓度，以及氧在氧化膜SiO2的扩散定律，求解氧在氧化膜SiO2中的扩散方程，得到氧在固液交界面处的浓度分布；步骤七、在该时间步长下的试件的最终形貌的基础上，给定下一时间步长，重复步骤三至步骤六；步骤八、重复若干次步骤七，直至所有时间步长之和达到规定烧蚀时间，最后一次时间步长获得的试件的最终形貌即为最终SiCf/SiC复合材料烧蚀形貌。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的步骤一中，采用氧乙炔焰进行烧蚀实验，实验过程按照GJB323A-1996开展。上述的步骤二中，采用红外测温仪对试件非接触式温度测量，红外测温仪能够实时测量并记录试件表面温度分布。上述的步骤三中，计算第一给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率的公式为：式中：为试件表面氧化膜SiO2单位时间步长厚度变化，dxSiC为试件SiC单位时间步长厚度变化，为单位时间氧气通量，t为时间步长，为氧化膜SiO2摩尔质量，MSiC为试件SiC摩尔质量，为氧化膜SiO2密度，ρSiC为试件SiC密度，dn单位时间内流过单位截面物质的量改变值，dC为(单位时间内浓度的改变量。上述的步骤四中，气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力与试件表面氧化膜SiO2不同厚度处的粘附力进行气液两相流耦合求解的公式为：式中：Fn为试件表面氧化膜SiO2的粘附力，μ1为二氧化硅动力粘度，采用经验公式μ1＝1.183×10-7Ma0.5T10.6,u1气液交界面处液态层流动速度，x为试件表面氧化膜SiO2距固液分界面的厚度，Ft为气液交界面剪切力；cf为气动摩擦系数，ρg燃气来流密度，ug为来流沿时间表面速度。上述的步骤五中，氧化膜SiO2的热传导方程为式中：为系统内能的增量，属于非稳态项；为导入导出的净热流量，属于扩散项；为内热源，属于源项。λ为氧化膜SiO2的热传导系数，c为比热容，ρ二氧化硅密度，x和y分别为材料横向和纵向坐标。上述的步骤六中，假设氧在液态氧化膜SiO2中的扩散满足Fick定律，且，各向扩散系数相同且为常数，则有氧在氧化膜SiO2中的扩散方程为：式中：为浓度随时间变化率，D为氧在SiO2中的扩散系数，x，y为沿烧蚀表面建立的坐标系的横向和纵向坐标，上式的含义为：在非稳态扩散过程中，在距离表面x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术提供了一种SiCf/SiC复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的模拟方法，综合考虑高温燃气流的气动力作用与热化学反应烧蚀的作用，耦合以上两种因素获得烧蚀结果，对烧蚀形貌做出更加精确的模拟。本专利技术中所涉及到的理论方程，多采用数值解法，容易编程实现。因此，能较精确的对不同烧蚀条件下的烧蚀形貌做出模拟。附图说明图1是本方法的整体流程；图2是燃气火焰流场模拟图；图3是初次给定时间步长的初始烧蚀形貌；图4是初次给定时间步长的最终烧蚀形貌；图5是烧蚀形貌模拟结果；图6是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：包括以下步骤：/n步骤一：通过燃气对陶瓷基复合材料试件进行烧蚀实验，给定燃气燃烧燃气比例，确定火焰温度大小，燃气流速和气体组分含量；/n步骤二：在实验过程中持续对试件表面温度进行采样，获得试件表面温度分布；/n步骤三：给定时间步长，基于步骤一中给定的气体组分含量以及步骤二中测得的试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO

【技术特征摘要】
1.一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一：通过燃气对陶瓷基复合材料试件进行烧蚀实验，给定燃气燃烧燃气比例，确定火焰温度大小，燃气流速和气体组分含量；
步骤二：在实验过程中持续对试件表面温度进行采样，获得试件表面温度分布；
步骤三：给定时间步长，基于步骤一中给定的气体组分含量以及步骤二中测得的试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率，得到该时间步长下的试件的初始形貌并获得试件表面氧化膜SiO2厚度，
步骤四：基于步骤一给定的燃气流速，得到试件表面气动力分布，得到气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力，将气体与液态试件表面氧化膜SiO2交界面的剪切力与试件表面氧化膜SiO2不同厚度处的粘附力进行气液两相流耦合求解，得到被吹走的液态试件表面氧化膜SiO2厚度和依然粘附在试件表面上的液态试件表面氧化膜SiO2厚度；得到该时间步长下的试件的最终形貌；
步骤五：基于步骤四得到的试件的最终形貌，基于步骤二中测得的试件表面温度分布，求解氧化膜SiO2的热传导方程，获得试件固液交界面处的温度分布；
步骤六、根据步骤一中给定的气体组分中的氧浓度，以及氧在氧化膜SiO2的扩散定律，求解氧在氧化膜SiO2中的扩散方程，得到氧在固液交界面处的浓度分布；
步骤七、在该时间步长下的试件的最终形貌的基础上，给定下一时间步长，重复步骤三至步骤六；
步骤八、重复若干次步骤七，直至所有时间步长之和达到规定烧蚀时间，最后一次时间步长获得的试件的最终形貌即为最终SiCf/SiC复合材料烧蚀形貌。


2.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤一中，采用氧乙炔焰进行烧蚀实验，实验过程按照GJB323A-1996开展。


3.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤二中，采用红外测温仪对试件非接触式温度测量，红外测温仪能够实时测量并记录试件表面温度分布。


4.根据权利要求1所述的一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其特征是：步骤三中，计算第一给定时间步长下试件表面氧化膜SiO2增长速率和SiC退移速率的公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：宋迎东，杜金康，高希光，赵学灿，时晓婷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32