多孔材料结构综合热传输问题的多尺度方法研究

With the rapid advance of material science and technology, porous materials are of importance in engineering and industry owing to their high temperature resistance and light weight. Especially, as development of aeronautic and aerospace engineering in recent years, porous materials designed as insulation under multi-field circumstances have attracted tremendous attention and wide research interest in practical applications. That gives researchers a new challenge due to its service environment from simple single-field to multi-field coupling with deep applications. However, no systematic treatment of coupled conduction, convection and radiation theory and algorithm of the porous materials has been available.. The objective of the project is to establish a relatively comprehensive multiscale analysis and numerical algorithm for the integrated heat transfer problem. The main contents include: providing a highly efficient algorithm for generating microstructure and computer realization of high porosity materials; developing a multifield coupling, multiple spatio-temporal model and algorithm for efficiently predicting the heat transfer performance of the porous materials, and giving the error estimates; developing an integrated and reliable multiscale analysis software platform. A highly accurate and effective multiscale analysis method is constructed in this project, which can not only reflect the microstructure characteristics effect on the macroscopic properties, but also obtain the microstructure evolution resulting from macroscopic deformation behavior. That’s the foundation of designing and producing for porous materials.

随着科学技术的发展，多孔材料、特别是高孔隙率多孔材料以其耐高温、重量轻等特点越来越受到重视。随着其应用的深入，服役环境也由单场转为多物理场耦合情形。特别是作为航空、航天高性能热防护系统，其表现出很强的多物理场耦合性能，但是适用于从细观到宏观对多孔材料结构的热传导、热对流和热辐射及其耦合行为进行分析的理论和算法尚不成熟。.鉴于此，本项目为该类多孔材料综合热传输模型建立一套相对完整的多尺度分析和计算体系。主要研究内容有：建立高孔隙率材料微结构的有效表征和高性能生成算法；发展一套求解非线性综合热传输问题，涉及到多物理场耦合、多时-空和多尺度关联的宏-细观模型和算法，分析其收敛性，并给出误差估计；开发一个集成化的、可靠有效的多孔材料结构性能预测的多尺度模拟软件平台。该体系既能反映微结构演化对宏观性能的影响，又能获得宏观变形行为所产生的微结构演变，为材料设计、制备提供理论和算法支撑。

热防护系统(TPS)是发展高超声速飞行器最重要的物质保障和关键技术之一，它不仅影响航天器性能的优劣，而且关系到飞行的成败。多孔复合材料作为热防护系统重要的组成部分近几年得到越来越多的重视。因此，针对近空间飞行器的热防护问题，本项目主要研究了高孔隙率防-隔热材料及其结构综合热传输和热-力耦合性能预测的力学模型、计算方法及其软件技术。在项目的资助下，取得的主要业绩包括：基于高阶多尺度方法和经典热传导理论对多孔材料及其结构进行理论和数值实验研究，建立了高孔隙率材料微结构的有效表征和计算机生成的高性能算法；针对高空隙率材料结构的热传导-辐射-对流耦合的热传输与热-力耦合性能预测建立了多尺度计算模型、二阶双尺度/高阶三尺度方法及其数学理论，通过数值算例验证了算法的有效性；分别针对周期/随机分布孔洞表面三种辐射条件的含时热传导-辐射-对流耦合模型和热-力耦合模型，发展了一套理论上可靠的二阶双尺度/高阶三尺度方法；利用传统的降阶均匀化方法，建立了复合材料结构非线性性能预测的二阶双尺度和高阶三尺度降阶模型和算法，并应用超弹性、塑性和损伤问题验证了该降阶多尺度算法的正确性和有效性；实现了材料结构的微/细观几何建模、宏-细观计算与可视化，并初步形成了多尺度模拟软件MSCS。本项目的研究将为多孔材料及其结构热防护系统的优化和设计提供可靠的基础理论和技术支持，为多孔材料综合热传输及其耦合问题的深入研究提供一个更有效实用的数值模拟工具，具有很强的工程应用价值。