一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法

本发明涉及飞行器热防护，尤其是涉及一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法。

背景技术：

1、高超声速飞行器在深空探测过程中受到严重的气动加热，需要热防护系统保证其正常飞行。面对严酷环境的行星探测任务(如金星：环境压力高达92个大气压，充满co2气体)，传统的热响应模拟并不完全适用，高压下分子碰撞概率大大增加，co2等气体对辐射非常敏感，建立新的热防护系统热响应模型是至关重要的。

2、由于碳纤维编织体的可设计性和整体性，编织复合材料成为热防护材料领域的新星，如aedpt、heeet等。其优势在于可以改变精确编织方式，以适应不同的探测任务。编织复合材料按结构可以分为(1)编织结构：如平纹编织、3维4向、3维5向等；(2)机织结构：如正交3向、2.5d浅交直联、2.5d浅交弯联等。

3、热辐射与温度的四次方成正比，对于热防护材料而言，在高温下是最大的能量消耗项之一。其中，表面发射率是至关重要的宏观响应模拟参数。目前的数值模拟中采用了过于简化的输入，认为表面发射率是常数或温度的函数，缺乏考虑细观结构、表面气体对发射率的影响，缺乏对温度、波长、细观结构参数的清晰理解，导致编织复合材料预报值与实验值相去甚远。如果直接进行细观尺度建模，在细观尺度进行烧蚀响应模拟，无疑会由于巨大的计算量导致“维度灾难”问题。因此，在进行编织热防护复合材料的设计与评价时，考虑气-固双相辐射机制的双尺度烧蚀模型亟待建立。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，提升高压、高热流极端环境下的编织复合材料烧蚀响应预报精度，提供编织复合材料设计的新思路。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，包括以下步骤：

3、s1、根据来流条件构建宏观烧蚀模型，通过宏观烧蚀模型得到宏观烧蚀模拟结果；

4、s2、根据壁面压强、宏观烧蚀模拟结果，对材料表面混合气体光谱辐射特性进行计算，得到材料表面混合气体光谱辐射特性计算结果；

5、s3、根据宏观烧蚀模拟结果、材料表面混合气体光谱辐射特性计算结果，构建细观辐射模型，计算细观辐射强度；

6、s4、根据细观辐射强度计算宏观材料表面等效发射率，再结合来流条件构建最终的宏观烧蚀模型。

7、优选的，步骤s1中，宏观烧蚀模拟结果包括壁面温度和壁面产物；壁面产物包括气体种类和摩尔分数；气体种类包括环境气体、热解气体及炭化层。

8、优选的，步骤s2中，对材料表面混合气体光谱辐射特性进行计算，具体操作如下：

9、材料表面混合气体光谱辐射特性计算采用的波数范围由黑体辐射函数确定，计算方法为：

10、

11、其中，波数范围为η0～η1；f为黑体辐射分数；e为辐射能量；b代表黑体；c1为常数3.7419×10-8w/m2/cm-1；c2为常数1.4388k/cm-1；t为温度；σ为常数5.67×10-8w/m2/k4；fb(η0,η1,t)为在波数范围η0～η1内的温度t下的黑体辐射分数；eb(η0,η1,t)为在波数范围η0～η1内的温度t下的黑体辐射能量；

12、材料表面混合气体光谱辐射特性通过各气体的光谱辐射特性叠加计算，计算公式如下：

13、

14、其中，κη为在波数η下的吸收系数；κη,gas_i为气体i在波数η下的吸收系数；m为气体种类数量；ygas_i为气体i的体积分数；cη,gas_i为气体i在波数η下的吸收截面；η为波数；κ为吸收系数；gas_i为第i种气体；p为压强；ru为气体常数；y为摩尔分数；c为吸收截面；其中光谱吸收截面通过气体光谱数据库获取。

15、优选的，细观辐射模型包括：正交三向结构和2.5d结构，其中，2.5d结构包括2.5d浅交直联结构和2.5d浅交弯联结构。

16、优选的，细观辐射模型为炭化层，其中，正交三向结构在厚度方向包含1层经纱与1层纬纱，2.5d结构在厚度方向包含3层经纱与3层纬纱。

17、优选的，步骤s3中，进行细观辐射强度计算时，先结合公式(2)，计算混合气体细观辐射特性为普朗克平均吸收系数作为输入参数，计算公式如下：

18、

19、其中，p为普朗克平均；ebη(t)为温度t下在波数η处的光谱黑体辐射能量；eb(t)为温度t下的黑体辐射能量；κp普朗克平均吸收系数；

20、再计算细观辐射强度：

21、

22、其中，i为辐射强度；r为位置；s为方向；β为衰减系数，与κ相等；σs为散射系数，通常视为0；φ为散射相函数；为在位置r指向s方向的辐射强度；为在位置r指向s方向的黑体辐射强度；为在位置r指向si方向的辐射强度；为散射相函数。

23、优选的，步骤s4中，根据细观辐射强度计算宏观材料表面等效发射率，具体操作为：结合公式(4)，通过等效方法计算宏观材料表面等效发射率，计算公式如下：

24、

25、其中，ε为表面等效发射率；qr为辐射强度；θ为水平角；为天顶角；eb为黑体辐射能量；i为辐射强度。

26、因此，本发明采用上述一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其技术效果如下：通过对来流参数、编织结构、热解气体的辐射特性的引入，提高编织复合材料表面发射率预报精度，与传统模型相比更符合真实试验结果。

27、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，步骤s1中，宏观烧蚀模拟结果包括壁面温度和壁面产物；壁面产物包括气体种类和摩尔分数；气体种类包括环境气体、热解气体及炭化层。

3.根据权利要求1所述的一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，步骤s2中，对材料表面混合气体光谱辐射特性进行计算，具体操作如下：

4.根据权利要求3所述的一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，细观辐射模型包括：正交三向结构和2.5d结构，其中，2.5d结构包括2.5d浅交直联结构和2.5d浅交弯联结构。

5.根据权利要求4所述的一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，细观辐射模型为炭化层，其中，正交三向结构在厚度方向包含1层经纱与1层纬纱，2.5d结构在厚度方向包含3层经纱与3层纬纱。

6.根据权利要求5所述的一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，步骤s3中，进行细观辐射强度计算时，先结合公式(2)，计算混合气体细观辐射特性为普朗克平均吸收系数作为输入参数，计算公式如下：

7.根据权利要求6所述的一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，其特征在于，步骤s4中，根据细观辐射强度计算宏观材料表面等效发射率，具体操作为：结合公式(4)，通过等效方法计算宏观材料表面等效发射率，计算公式如下：

技术总结本发明公开了一种针对编织复合材料的双相辐射多尺度发射率计算方法，属于飞行器热防护技术领域，包括：根据来流条件构建宏观烧蚀模型，通过宏观烧蚀模型得到宏观烧蚀模拟结果；根据壁面压强、宏观烧蚀模拟结果，对材料表面混合气体光谱辐射特性进行计算，得到材料表面混合气体光谱辐射特性计算结果；根据宏观烧蚀模拟结果、材料表面混合气体光谱辐射特性计算结果，构建细观辐射模型，计算细观辐射强度；根据细观辐射强度计算宏观材料表面等效发射率，再结合来流条件构建最终的宏观烧蚀模型。本发明可以提升高压、高热流极端环境下的编织复合材料烧蚀响应预报精度，提供编织复合材料设计的新思路。技术研发人员：李玮洁,李营,梁皓然,洪义强受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29