非催化壁材料在非平衡流場條件下的熱考核試驗方法研究

于明星, 白書欣, 徐曉亮, 曹占偉

(1. 國防科學技術大學, 長沙 410073; 2. 北京臨近空間飛行器系統工程研究所, 北京 100076)

非催化壁材料在非平衡流場條件下的熱考核試驗方法研究

于明星1,2,*, 白書欣1, 徐曉亮2, 曹占偉2

(1. 國防科學技術大學, 長沙 410073; 2. 北京臨近空間飛行器系統工程研究所, 北京 100076)

針對電弧風洞試驗條件下非催化壁防熱材料在非平衡流場中存在的防熱性能“欠考核”問題，提出了有效考核方法。以典型陶瓷基復合材料尖劈外形試件為例，采用CFD數值模擬與試驗狀態調試相結合的方法，對典型電弧風洞試驗條件下完全催化壁和非催化壁材料的熱流進行了數值模擬，并結合熱流實測結果，確定了風洞試驗狀態并完成了試驗，實現了對該類熱防護材料防熱性能的有效考核，為非催化壁材料防熱性能試驗“欠考核”問題提供了解決途徑。

非催化；非平衡流；防熱性能；電弧風洞試驗；考核方法

0 引 言

隨著宇航技術的不斷發展，以陶瓷基復合材料或表面涂覆陶瓷基涂層的材料(下文統稱為陶瓷基復合材料)為代表的非催化壁防熱材料在先進航天器結構與熱防護設計中得到更廣泛的應用。對于某些以高焓(低壓)、中/低熱流為特征的氣動加熱環境，以陶瓷基復合材料為代表的非催化壁材料在地面風洞試驗中往往表現出實測溫度嚴重低于預期的現象，尤其是在流場非平衡特點突出的試驗工況下，材料表面催化特性對試驗件熱響應的影響尤為顯著。究其原因在于：目前風洞試驗狀態調試時均采用金屬材質的熱流傳感器，對氣流中原子復合的作用接近于完全催化，即狀態調試測得的熱流接近平衡態熱流，而陶瓷基復合材料對原子復合的作用接近于完全非催化，實際接受的熱流顯著低于測試熱流。同時，相對于飛行條件而言，地面試驗條件的非平衡度往往更高，有限催化壁材料實際接受的熱流相對更低，即若按飛行條件的熱流進行狀態調試，對陶瓷基復合材料而言就存在考核不充分的問題。同時，材料壁面催化、流場化學非平衡、試驗件熱響應與試驗設備運行參數是一個緊耦合問題，在開展正式試驗之前難以通過簡單的評估而提出準確合理的試驗狀態參數。

多年來，國內外學者針對材料壁面催化特性與流場化學非平衡特性對熱流的影響進行了大量研究[1-8]，取得了很多研究成果。例如：W.A.Carden[1]通過試驗研究了催化條件下非平衡離解流中半球體的傳熱問題，結果表明：完全催化時，銅表面傳熱結果與理論計算非常一致；而當壁面為非催化材料時，表面熱流降低約40%；M.Barbato等人[2]基于多種催化壁面，分別計算了完全催化、局部熱化學平衡以及完全非催化和有限催化壁面條件下的壁溫，并在有限速率催化條件下使用了原子氮和原子氧的復合以及一氧化氮生成的催化模型；L.A.Anderson[3]通過試驗研究了不同材料表面催化對駐點加熱的影響，發現相對于金屬鎳和金屬箔，二氧化硅材料的熱流要小1/3左右；P.A.Gnoffo等人[4]對壁面催化效率變化條件下氣動熱計算結果進行了解析修正，并給出了不同催化屬性下壁面熱流的改變程度等。以上研究成果表明，在不同的飛行、試驗條件下，材料壁面催化特性的確會對材料表面真實熱流產生顯著的影響。目前，研究者的關注點大都集中在物理現象本身，而對于如何科學有效地確定地面試驗狀態，以達到對飛行條件有效考核方面的研究，始終未見報道，特別是對于近年來開始大規模使用的陶瓷基復合材料壁面催化欠考核問題，缺乏有效的試驗模擬方法。

針對非平衡流場氣動加熱與材料壁面催化問題，本文提出了采用CFD數值模擬與試驗狀態調試相結合的試驗狀態參數確定方法及具體實施步驟，并結合電弧風洞試驗，從試驗條件下的氣動熱環境預示、試驗狀態調試與修正、試驗結果分析等方面進行了綜合驗證，實證了該方法的工程可實現性，相關研究成果可為非催化壁材料在非平衡流場條件下防熱性能的考核與評價提供借鑒。

1 非催化壁材料在非平衡流場條件下的熱響應特點及天地差異

高馬赫數流動中，空氣中的氮、氧分子經過激波后受高溫作用會發生離解，產生大量氮、氧原子，原子在到達防熱材料壁面后會發生一定程度的復合，并釋放熱量。對于此類雙原子氣體復合反應，在有限的流動特征時間里，防熱材料壁面催化特性的強弱將嚴重影響復合反應的進程及反應放熱量的多少。若壁面催化反應無限快，原子在壁面趨于完全復合，稱為完全催化壁；若壁面催化反應無限慢，復合反應趨于凍結，稱為非催化壁；介于兩者之間則稱為有限催化壁。對于陶瓷基復合材料，在以中/低熱流為特征的氣動加熱條件下，若材料表面以被動氧化為特征，即材料壁面處可生成連續的二氧化硅液態或固態氧化產物，則材料將表現出非催化壁的特性。

為了確保材料防熱性能滿足飛行使用要求，往往需要基于典型飛行剖面的氣動加熱特點，借助電弧/高頻等離子風洞等地面加熱設備開展地面防熱試驗，對材料的防熱性能進行考核與評價。電弧/高頻等離子風洞的基本試驗原理為：通過高壓電弧放電或電磁感應加熱，將空氣電離為高溫離子態氣體，使氣體總焓達到或接近真實飛行條件，再經過拉瓦爾噴管將氣體加速到一定馬赫數，實現模型表面加熱狀態的模擬。

然而，受噴管加速能力的限制，電弧/高頻等離子風洞噴管出口的最高流速顯著低于實際飛行速度，在總焓得到近似模擬的情況下，總焓中一部分能量是以化學焓的形式貯存在離解氣體中，如果這部分能量在材料壁面能夠完全釋放出來，則材料壁面實際感受到的熱流與飛行條件(研究表明除駐點附近區域外，飛行器其他區域流場接近平衡態)相當，反之，如果這部分能量無法完全釋放，則材料壁面實際感受到的熱流將低于飛行條件，造成試驗欠考核。因此，從材料防熱性能考核有效性的角度考慮，由于風洞試驗流場的非平衡特性與飛行條件存在顯著差異，對于非催化壁材料而言，試驗件在天、地2種工況下的熱響應特性必然有所不同，而如何準確地提出風洞試驗狀態參數，充分地模擬飛行工況，對非催化壁材料防熱性能的評價及飛行器熱防護設計至關重要。

2 非催化壁材料防熱性能的風洞試驗考核方法與步驟

對于非催化壁材料，如何準確、合理地設計地面風洞試驗狀態，實現對飛行條件下材料熱響應特性的充分模擬及防熱性能的有效考核，是確保防熱設計方案科學、可靠的前提。

通常情況下，對于完全催化壁或者有限催化壁材料電弧風洞試驗，為了達到充分考核的目的，獲得較高的材料試件表面溫度，試驗狀態會根據飛行條件的熱流或者根據工程經驗給出一個事先預估的稍高于飛行條件的熱流開展試驗。而對于非催化壁材料，由于存在欠考核問題，試驗狀態的確定必須采用新的試驗狀態設計方法。

本文通過風洞流場數值模擬與地面試驗狀態調試緊密結合的方式，提出了非催化壁材料防熱性能考核的合理環境條件模擬思路(見圖1)，具體步驟如下：

(1) 以需要模擬的典型飛行條件下的熱流、焓值為基準確定目標狀態，其中的熱流和焓值分別稱作目標熱流和目標焓值，飛行條件壓力供參考；

(2) 根據目標熱流與目標焓值，確定試驗設備基本配置方案，開展試驗狀態調試(壓力自適應產生)，記錄弧室參數；

(3) 對風洞流場進行弧室-噴管、噴管-試驗段的分段CFD建模，將實測弧室參數作為輸入條件，計算噴管出口狀態參數，然后將其作為試驗件表面熱流計算的輸入條件，開展考慮壁面催化效應的數值仿真，并根據CFD仿真結果將仿真得到的完全非催化熱流與目標熱流進行比對，提出弧室參數的修正意見，使新狀態的完全非催化熱流更接近目標熱流并維持焓值基本不變；

(4) 根據修正意見重新調試試驗狀態，記錄弧室參數，作為下一輪CFD仿真依據；

Fig.1 Test steps for evaluating the thermal protective performance of non-catalysis material

(5) 重復步驟(3)、(4)直至試驗狀態下完全非催化熱流相對目標熱流的偏差滿足要求，此狀態作為正式試驗狀態；

(6) 在上步確定的狀態下完成試驗，并作試驗有效性分析。

該模擬思路遵循以下基本假定：

(1) 材料表面在極短時間內形成相對致密的氧化層，即試驗過程中材料表面不存在劇烈的氧化還原反應，使氧原子直接跳過復合過程變為終態產物；

(2) 材料表面滿足被動氧化條件，以陶瓷基復合材料為例，在既定的表面溫度條件下，表面壓力不得低于SiO生成條件，即確保氧化層為SiO2；

(3) 材料表面壓力高于SiO2的飽和蒸汽壓。

對非催化壁材料考核試驗，采用上述方法確定試驗模擬參數的過程，相對于傳統材料地面考核試驗模擬參數設計過程而言，具有以下優點：一是提高了試驗參數模擬的準確性和對飛行條件參數的覆蓋性，有利于獲得更加接近飛行條件下的材料表面溫度；二是充分考慮了非催化壁材料的防熱特點，可以更為有效地評價該類材料的防熱性能。

3 熱考核試驗方法的驗證及結果分析

以圖2所示楔形翼外形試驗件為例，對該考核方法的有效性及工程可操作性進行驗證。楔形翼前緣頭部半徑10mm，半楔角8°，流動方向與前緣夾角為31.5°，試驗件基材選用細編穿刺碳/碳復合材料，在試驗件表面制備碳化硅陶瓷涂層，為了確保材料壁面非催化特性，在涂層制備時未引入任何改性劑，并在涂層表面封填二氧化硅釉層,這種封釉工藝處理也確保了基本假定(1)的滿足。

3.1 目標試驗狀態

根據典型飛行條件下的熱流和焓值，確定目標試驗狀態，具體參數見表1。

表1 目標試驗狀態Table 1 The expected test condition

該試驗在北京航天空氣動力研究院20MW電弧風洞上完成，加熱器為疊片式，采用錐形噴管，噴管喉道直徑30mm，出口直徑150mm，半錐角8°。

調試時，熱流采用校測模型進行測試(校測模型表面指定點安裝銅塞式量熱計)，焓值采用能量平衡法獲得。前緣駐點線熱流測量的試驗誤差小于10%。

3.2 風洞流場CFD數值模擬

針對預調狀態下電弧加熱噴管及楔形前緣構成的氣動加熱流場，開展氣動熱環境數值模擬。

CFD數值模擬采用有限體積法求解熱化學非平衡N-S方程，數值格式采用AUSM+-up[11-12]格式，時間格式采用隱式LU-SGS格式，化學動力模型為Park提出的7組元空氣反應模型，表面催化特性采用完全非催化條件和完全催化條件2種，對于7組分空氣化學模型，本文采用如下假設：NO組分是非催化的，壁面處主要考慮N、O原子的復合反應，對于完全催化材料，N、O原子的復合催化效率γO=γN=1，對于完全非催化材料，γO=γN=0。

通過對比1×10-5、5×10-6、1×10-6、5×10-7共計4組法向最小網格尺度分布的熱流計算與試驗測量結果，確認選用1×10-5尺度的網格可以準確地進行熱環境預測，同時具有較高的計算效率。

考慮到碳化硅陶瓷涂層在被動氧化條件下，表面產物為二氧化硅，可視為完全非催化壁面，而測熱用的塞式傳感器表面近似為完全催化壁面，故而分別針對完全催化壁、完全非催化壁2種條件開展數值模擬。在確保完全催化壁面熱流計算結果與試驗測量結果一致的前提下，將與之對應的完全非催化壁熱流結果與目標熱流進行對比，并調整弧室參數。

經過CFD計算結果與弧室參數的數輪迭代，最終確定弧室調試狀態參數(見表2)，對應的噴管出口參數見表3。

表3 CFD模擬噴管出口參數Table 3 Tunnel exit parameters of CFD simulation

圖3給出對應條件下噴管對稱面流場參數分布，圖4給出噴管出口參數分布，噴管出口馬赫數約為6，且出口附面層厚度較小，在噴管中心區域保留有較大的均勻區域。

Fig.3 Flow parameters distribution on the plane of symmetry of the nozzle

圖5所示為完全催化壁面條件下，風洞加熱過程中試驗件繞流流場參數，圖6給出了試驗件表面熱流與壓力的分布。

圖7所示為通過數值計算得到的完全催化、完全非催化壁面熱流云圖。表4給出了結果對比：在圖3建立的流場條件下，完全催化壁對應熱流為2.718×106W/m2，塞式傳感器實測熱流為2.57×106W/m2，偏差約6%；而完全非催化壁面所感受到的熱流為1.603×106W/m2, 與目標熱流1.7×106W/m2十分接近，偏差約6%。

Fig.5 Flowparameters distribution on the plane of symmetry of the wedge-edge specimen

Fig.6 Heat flux andpressure distribution of the wedge-edge specimen (Full catalysis)

Fig.7 Heat flux distribution of CFD simulation results with full-catalysis and non-catalysis assumption

表4 試驗測試與目標熱流Table 4 Comparison of heat flux between test and expected data

3.3 試驗結果

根據表2條件開展了試驗, 圖8為燒蝕前、后試驗件形貌對比，發現試驗后的試驗件沒有出現明顯的燒蝕(表明不是主動氧化)，但有一些粉末狀的二氧化硅覆蓋在表面上，使得表面比燒蝕前明顯變白，同時考慮到試驗過程中溫度、壓力的實測結果滿足被動氧化條件，即SiO2未轉變為氣態SiO，滿足前文基本假設條件(2)、(3)，據此判斷：試驗過程中材料表面氧化模式為被動氧化。試驗中測試得到的前緣駐點線平衡溫度為1744K，與根據目標熱流預示的駐點線平衡溫度1780K相差僅36K，證明按照本文所提出模擬方法開展試驗，可以實現對陶瓷基復合材料防熱性能的有效考核。

4 小 結

本文針對在地面非平衡流場加熱條件下非催化壁防熱材料試驗件實測溫度比預計溫度偏低的問題，結合流場特征及該類材料的壁面催化特性，提出了一套防熱性能的地面風洞試驗模擬方法，并成功應用于電弧風洞加熱試驗，實現了對陶瓷基復合材料防熱性能的有效考核，為非催化壁材料防熱性能試驗“欠考核”問題提供了解決途徑。

[1]Carden W H. Experimental heat transfer to hemispheres in nonequilibriun dissociated hypersonic flow with surface catalysis and second-order effects[R]. AIAA-66-3, 1966.

[2]Barbato M, Giordano D, Muylaert J, et al. Comparison of catalytic wall conditions for hypersonic flow[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1996, 33(5): 620-62.

[3]Gnoffo P A, Inger G R. Analytic corrections to computational heating predictions accounting for changes in surface catalysis[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1998, 35(4): 417-423.

[4]Scott C D, Stephen M. D. Catalytic recombination and space shuttle heating[R]. AIAA-82-0841, 1982.

[5]Barbato M, Giordano D, Muylaert J, et al. Comparison of catalytic wall conditions for hypersonic flow[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1996, 33(5): 620-62.

[6]Filippis F D, Savino R, Martucci A. Numerical-experimental correlation of stagnation point heat flux in high enthalpy hypersonic wind tunnel[R]. AIAA-2005-3277, 2005.

[7]George R I. Nonequilibrium boundary-layer effects on the aerodynamic heating of hypersonic waverider vehicles[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1995, 9(4): 595-604.

[8]Scott C D. Effects of nonequilibrium and catalysis on shuttle heat transfer[R]. AIAA-83-1485, 1983.

[9]Park C. Assessment of two-temperature kinetic model for ionizing air[R]. AIAA-87-1574, 1987.

[10]Park C. Two-temperature interpretation of dissociation rate data for N2and O2[R]. AIAA-88-0458, 1988.

[11]Liou M S. Ten years in the making-AUSM-family[R]. AIAA-2001-2521, 2001.

[12]Liou M S. A further development of the AUSM+ scheme towards robust and accurate solutions for all speeds[R]. AIAA-2003-4116, 2003.

(編輯：李金勇)

Research on method for evaluating the thermal protective performance of non-catalysis material in non-equilibrium flow

Yu Mingxing1,2,*, Bai Shuxin1, Xu Xiaoliang2, Cao Zhanwei2

(1. National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. Beijing Institute of Nearspace Vehicle’s System Engineering, Beijing 100076, China)

In this paper, an effective wind tunnel test method is presented for evaluating the thermal protective performance of the non-catalysis material. The method is proved to be reasonable by iterating the results between CFD simulation and the wind tunnel operating parameter, taking a typical CMC(ceramic matrix composite) wedge-edge specimen for example. The operating parameters of the arc tunnel was determined by comparing the simulation results of the non-catalysis and the full-catalysis assumption. The wind tunnel test results indicate that the test on the specimen was performed as expected, which may be helpful to solve the ‘under-evaluating’ problem for the non-catalysis material in the non-equilibrium flow.

non-catalysis; non-equilibrium flow; thermal protective performance; arc tunnel test; evaluating method

1672-9897(2017)04-0084-06

10.11729/syltlx20170084

2017-06-20;

2017-07-19

國家自然科學基金項目(51506008)

YuMX,BaiSX,XuXL,etal.Researchonmethodforevaluatingthethermalprotectiveperformanceofnon-catalysismaterialinnon-equilibriumflow.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 84-89. 于明星, 白書欣, 徐曉亮, 等. 非催化壁材料在非平衡流場條件下的熱考核試驗方法研究. 實驗流體力學, 2017, 31(4): 84-89.

V211.74

A

于明星(1969-)，男，山東濟寧人，研究員。研究方向：高超聲速熱防護。通信地址：北京市9200信箱89分箱一室(100076)。E-mail：ymxchyh@sohu.com。

*通信作者 E-mail: ymxchyh@sohu.com