高焓化学非平衡流场中碳的氮化/催化耦合机理研究

Carbon is an important part of ablative thermal protection materials, and studying on its ablation mechanism, heat transfer and mass transfer is a basic for carbon based thermal protection materials and heat environment predetermination. For the problem of nitridation of carbon in chemical nonequilibrium flow field, the coupling of nitridation and catalysis will be studied with a method of experimental test and theoretical research. In experiment, the change of mass ablating rate with surface temperature and density of nitrogen will be obtained, the relation of nitridation will be founded, and the result will be used to estimate the mass of nitridation and effects on heat transfer in different flow field. The coupling model of nitridation and catalysis of carbon in chemical nonequilibrium flow field will be founded in theoretical research on the basic of experimental study.

碳作为各类烧蚀型防热材料最重要的构成部分，其在高焓流场条件下的烧蚀机理与传热传质研究是开展碳基防热材料烧蚀机理研究及热环境预测的基础。本项目拟针对碳在化学非平衡流场中的氮化烧蚀现象，通过实验测试与理论研究相结合的方式，研究化学非平衡流场条件下碳的氮化/催化耦合机理。通过实验测试，获得碳在化学非平衡氮气流场条件下质量烧蚀速率随碳的表面温度、氮原子浓度等参数的变化关系，建立碳的氮化烧蚀表征关系，预测不同流场条件下碳的氮化烧蚀量及其对传热的影响；在此基础上，通过理论研究，建立化学非平衡流场条件下碳的氮化/催化耦合机理模型。

碳作为各类烧蚀型防热材料最重要的组成部分，其在高焓流场条件下的烧蚀机理与传热传质研究是开展碳基防热材料烧蚀机理研究及热环境预测的基础。在高焓化学非平衡热环境中，氮原子质量浓度随着焓值的增加而增加，其引起的碳的氮化烧蚀不可忽略，且在化学非平衡流场条件下，碳的氮化烧蚀与碳表面对氮原子的催化复合过程相互耦合，无法通过简单有效的研究手段认识碳的氮化反应机理。国内外对碳的氮化烧蚀研究往往忽略了其催化作用，缺乏有效描述原子态氮在碳表面发生氮化反应以及催化的模型。. 本项目针对碳在化学非平衡流场中的氮化烧蚀现象，在高频等离子体风洞上开展了高焓化学非平衡氮气等离子体流场中碳的烧蚀试验，通过调整风洞运行功率和进气流量，设计了不同氮原子浓度的流场状态；通过设计合理的模型支架，保证了模型表面温度分布均匀，并对模型烧蚀过程中表面温度和背部辐射热流进行了测试。通过实验，确定了碳在不同焓值、不同压力氮气流场条件下的表面温度和质量烧蚀速率。. 通过流场数值重构技术，获得了模型绕流边界层内外的流场参数，通过碳的质量烧蚀速率和氮原子浓度，获得了碳表面的氮化反应效率，并建立了氮化反应效率与表面温度、物面氮原子分压和边界层外缘氮原子分压的表征关系。考虑试样的热传导、热辐射和氮化反应放热，获得试样表面的实际驻点气动加热热流，根据实际驻点热流与材料催化特性的关系，获得了碳对氮原子的催化复合效率，建立了催化复合效率与表面温度、物面氮原子分压和边界层外缘氮原子分压的表征关系。本项目的研究表明：化学非平衡氮气流场中，碳的氮化反应效率和对氮原子的催化复合效率可被定义为表面温度、物面氮原子分压和边界层外缘氮原子分压的函数。