基于多孔介质特征流固耦合的绝热材料烧蚀模型

The present ablation model of charring material were based on the empirical formulation because lack of constitutive equations and corresponding parameters. In this research, we focused on the evolution of porous structure of charring layer. By measuring the characteristic parameter of charring layer, the evolution rule of the porous structure in the decomposition process was revealed. Considering the influence of vapor deposition and thermalchemistry on the porosity transformation of charring layer, the mechanical model of the charring layer was put forward. The relationship between porous structure of charring layer and strength was determined through experiments. The fluid-structure interaction ablation model was set up based on the porous structure of charring layer, which revealed the mechanism of the ablation process.

由于缺乏炭化层的本构方程和相应参数，目前涉及到炭化绝热材料的的烧蚀模型时，均采用经验公式来进行描述。本项目抓住炭化层孔隙结构演化这一体烧蚀的核心特点，通过测量和表征炭化层孔隙结构的参数和特征，开展热分解过程中绝热材料孔隙结构的演化规律研究，引入气相沉积和热化学共同主导作用对炭化层孔隙变化的影响，建立基于孔隙结构的炭化层力学计算模型，并通过实验获得相关参数，确定炭化层孔隙结构与其强度之间的关系，最终建立基于炭化层孔隙结构流固耦合的烧蚀模型并进行实验验证，揭示烧蚀过程中炭化层内孔隙结构是如何形成、演化以及破坏的本质问题。

绝热材料烧蚀是一个热传导、热分解、热化学反应和颗粒、燃气机械作用下的复杂耦合过程，炭化层是绝热层烧蚀发生的主体，也是绝热材料在烧蚀过程中重要的组成部分和屏障，揭示绝热材料的烧蚀机理和建立能够准确描述真实烧蚀过程的模型，必须首先掌握炭化层在烧蚀过程中的物理和化学变化规律和作用机制。炭化层内孔隙结构的形成和演化是连续的动态过程，其内部孔隙结构特征难以准确表征，相应的力学本构特性也极难得到，目前在国际范围内尚没有一个准确描述绝热层真实烧蚀过程的模型。.本项目以炭化层孔隙结构的演化过程为纽带，采用微米CT开展不同实验条件下绝热材料炭化层孔隙结构的测量，根据内部孔隙结构的非均匀分布情况，结合烧蚀过程中孔隙通道内流动传热、沉积和反应特点及其孔隙结构的力学特性，完成了孔隙结构参数的合理表征。开展了EPDM材料在不同升温速率条件下的热失重实验，获得其热解参数，建立了热分解过程绝热材料孔隙结构的演化规律，基于炭化层的微观形貌特点，将炭化层孔隙结构简化为开孔十四面体，分别建立了炭化层力学特性（弹性模量、断裂韧性和硬度）与孔隙率之间的关系式，并利用弹塑性压痕断裂理论建立了炭化层的颗粒流侵蚀模型。最后建立了基于多孔介质的流动/结构耦合烧蚀的统一分析模型，并开展了充分的实验验证。.项目抓住了炭化层孔隙结构演化这一体烧蚀的核心特点，采用多孔介质微通道内传热传质和流动分析方法，考虑热解气体在炭化层孔隙内的沉积和化学反应，建立了基于多孔结构的本构模型，并引入燃气和颗粒的机械破坏作用，最终建立了基于炭化层孔隙结构的流动结构相耦合的三元乙丙（EPDM）绝热材料烧蚀模型，所获成果在国内外均处于领先地位，对促进认识绝热材料真实烧蚀过程，指导发动机热结构设计具有重要的科学意义。