C/C复合材料优化设计中的大型复杂系统反应机理的模型简化和数值计算问题

The research and manufacturing of carbon/carbon (C/C) composites on full-temperature range remain the key issue in designing rocket engine with high energy solid propellant and hot-end components of aerial engine with high thrust-weight ratio over 10. The technical approach that appears to be optimal for designing high-temperature components of the next generation is implemented using multiple ceramic composites and by modifying the C/C composites through the chemical vapor infiltration (CVI) process, generating new multiphase composites characterized by the devisabililty, the complex effect, the high heat-resistance, the anti-oxidant and anti-ablation. The numerical modeling of the CVI process is a large-scale complex system comprised of the modeling of the precursor, the chemical vapor pyrolysis, the chemical reaction of superficial deposits, and computational flow dynamics (CFD). As for large components of C/C composites, for instance, the system can be computed efficiently only under the assumption that the dimension of the reaction mechanism should be reduced reasonably to shorten the period of optimizing factors impacting on CVI process, which in return will shed more lights on the research and manufacturing of C/C composites. This project aims at the the model reduction and numerical computation of the large-scale reaction mechanism, which is an interdisciplinary research relating numerical algabra, control theory (model reduction) with composite material.

全温域长寿命碳/碳(C/C)复合材料的研制是高能固体推进剂火箭发动机以及推比10以上航空发动机的热端部件必须解决的关键课题。采用多元陶瓷组分材料，通过化学气相渗透(CVI)工艺过程对C/C复合材料实现基体改性，形成一种多相复合材料，使其具有性能可设计性、复合效应、高耐热和极其优异的抗氧化耐烧蚀性能等特点，是国内外下一代高温部件的最佳技术方案。 CVI工艺全过程的数值模拟，是包含预制体模型、化学气相热解反应、表面沉积反应、计算流体动力学(CFD)的一个大型复杂系统。尤其涉及到C/C复合材料的大型材料构件时，保证该系统具有较好计算性能的前提是反应机理模型必须合理简化，从而缩短CVI工艺参数优化的周期，进而指导C/C复合材料的研究和制造。 本项目主要研究大型反应机理模型的简化和数值计算问题，是联系数值代数、控制论(模型简化)与复合材料等学科的交叉研究项目。

结题摘要. 本项目主要研究大型反应机理模型的简化和数值计算问题，是联系数值代数、控制论(模型简化)与复合材料等学科的交叉研究项目。. 在主要研究方向“研究固相基体的沉积动力学出现的模型简化问题”上取得工作成果，在蒙特卡罗方法用于复合材料大型反应机理模型的建模和简化方面发表SCI文章1篇，录用SCI文章1篇，完成了项目的预定研究目标，说明在本项目的研究目标“大型反应机理模型的简化和数值计算问题”取得了实质性的进展。在主要研究方向“建立求解大型矩阵方程新的稳定的数值迭代算法”上取得重要进展，发表SCI文章5篇。在与研究方向有关“特征值问题及其应用”和“矩阵逼近和模型简化”上也取得进展，发表SCI文章3篇。. 培养毕业博士研究生3名。参加国内外学术会议并做会议报告5次。作为会议组织委员会主席，分别组织2014年和2016年分别在山东临沂大学和兰州大学召开的第十一届和第十二届中国矩阵论及其应用国际会议。