金属热防护系统隔热材料的隔热机理及隔热效率研究

论文摘要

金属热防护系统(MTPS)是可重复使用运载器(RLV)的关键技术之一,而隔热材料是金属热防护系统的主要隔热部件。目前应用于金属热防护系统的隔热材料主要有陶瓷纤维隔热毡(CFTI) (光学厚度大于10)和多层隔热材料(MTI)。本文采用理论和实验相结合的方法对这两种隔热材料在再入期间的瞬态传热机理进行了详尽分析并建立了陶瓷纤维隔热毡的一维和三维传热模型以及多层隔热材料的一维传热模型,并对有应用前景的硅酸铝陶瓷纤维隔热毡进行了传热实验。本文提出了隔热效率的概念,以表明在取得相同隔热效果的前提下,隔热材料的隔热效率越高,其重量越轻。本文采用实验和理论分析相结合的方法研究比较均质和复合陶瓷纤维隔热毡的隔热效率,发现经过优化设计的复合陶瓷纤维隔热毡的隔热效率高于均质单一密度的陶瓷纤维隔热毡的隔热效率,并利用多层隔热材料的一维传热模型研究了多层隔热材料的隔热效率。本文的研究内容主要包括五个部分,下面进行分别介绍:建立了陶瓷纤维隔热毡一维热传导的传热模型,并利用Rosseland近似法建立了陶瓷纤维隔热毡热辐射的传热模型。利用能量平衡方程和上述两种传热模型建立了的陶瓷纤维隔热毡的一维稳态传热模型。本文通过实验测量了三种密度硅酸铝陶瓷纤维隔热毡在100℃～800℃之间的表观导热系数。利用遗传算法和三种密度的硅酸铝陶瓷纤维隔热毡表观导热系数的实验测量值得到硅酸铝陶瓷纤维隔热毡的密度辐射衰减系数和热传导调节系数。通过实验发现,在温度确定的条件下,均质陶瓷纤维隔热毡表观导热系数并不总是随着密度的增加逐渐变小,而是有一个最小值。达到最小值后,均质陶瓷纤维隔热毡的表观导热系数反而随着密度的增加而增加,并且随着温度的增加,均质陶瓷纤维隔热毡表观导热系数的最小值对应的密度逐渐增加。与均质陶瓷纤维隔热毡相比,复合陶瓷纤维隔热毡可以提供更高的隔热效率,且温度越高,这种优势越明显。通过计算得到了上表面温度为1000℃,下表面温度为30℃情况下表观导热系数最小的复合硅酸铝陶瓷纤维隔热毡的构成。与同密度的均质硅酸铝陶瓷纤维隔热毡相比,其表观导热系数降低了5.9%,而隔热效率提高了5.9%。在陶瓷纤维隔热毡一维稳态传热模型的基础上建立了陶瓷纤维隔热毡的一维瞬态传热模型。通过计算发现,随着密度的增加,应用在金属热防护系统上的均质陶瓷纤维隔热毡所应采取的厚度是降低的,其隔热效率也

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 金属热防护系统的隔热机理及发展历史
• 1.2.1 金属热防护系统的隔热机理及特点
• 1.2.2 金属热防护系统的发展历史
• 1.3 隔热材料的选择
• 1.3.1 陶瓷纤维隔热毡
• 1.3.2 多层隔热材料
• 1.3.3 纳米复合材料涂层
• 1.3.4 纳米孔硅质隔热材料
• 1.3.5 金属泡沫
• 1.4 金属热防护系统隔热材料传热模型的回顾
• 1.4.1 陶瓷纤维隔热毡传热模型的回顾
• 1.4.2 多层隔热材料传热模型的回顾
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 陶瓷纤维隔热毡一维稳态传热分析
• 2.1 引言
• 2.2 金属热防护系统再入过程中经历的热环境
• 2.3 陶瓷纤维隔热毡一维稳态传热模型
• 2.3.1 陶瓷纤维隔热毡热传导模型
• 2.3.2 陶瓷纤维隔热毡的热辐射模型
• 2.3.3 一维稳态传热模型的离散
• 2.4 硅酸铝陶瓷纤维隔热毡一维稳态传热实验
• 2.5 密度辐射衰减系数和热传导调节系数的确定
• 2.5.1 遗传算法简介
• 2.5.2 利用遗传算法确定密度辐射衰减系数和热传导调节系数
• 2.6 本章小结
• 第3章 一维稳态传热条件下陶瓷纤维隔热毡隔热效率
• 3.1 引言
• 3.2 均质陶瓷纤维隔热毡的隔热效率
• 3.2.1 均质陶瓷纤维隔热毡的表观导热系数
• 3.2.2 均质陶瓷纤维隔热毡的隔热效率
• 3.3 复合陶瓷纤维隔热毡的隔热效率
• 3.3.1 复合陶瓷纤维隔热毡表观导热系数的计算
• 3.3.2 表观导热系数最低的复合陶瓷纤维隔热毡的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热分析
• 4.1 引言
• 4.2 均质陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热模型
• 4.2.1 均质陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热模型
• 4.2.2 均质陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热模型边界条件
• 4.2.3 均质陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热模型的离散
• 4.3 均质陶瓷纤维隔热毡的隔热效率
• 4.4 复合陶瓷纤维隔热毡的隔热效率
• 4.4.1 复合陶瓷纤维隔热毡一维瞬态传热模型
• 4.4.2 复合及均质陶瓷纤维隔热毡隔热效果的比较
• 4.4.3 复合陶瓷纤维隔热毡的隔热效率
• 4.5 本章小结
• 第5章 陶瓷纤维隔热毡三维瞬态传热分析
• 5.1 引言
• 5.2 陶瓷纤维隔热毡三维瞬态传热模型
• 5.2.1 陶瓷纤维隔热毡三维瞬态传热模型的建立
• 5.2.2 陶瓷纤维隔热毡三维瞬态传热模型的离散
• 5.3 陶瓷纤维隔热毡横向导热系数模型
• 5.4 三维瞬态传热条件下陶瓷纤维隔热毡传热分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 多层隔热材料一维传热分析
• 6.1 引言
• 6.2 确定多层隔热材料的组成
• 6.3 多层隔热材料一维稳态传热分析
• 6.3.1 多层隔热材料一维稳态传热模型
• 6.3.2 多层隔热材料一维稳态传热模型的离散
• 6.3.3 辐射热物参数的确定
• 6.3.4 多层隔热材料表观导热系数的测量
• 6.4 一维稳态传热条件下多层隔热材料的隔热效率
• 6.4.1 反射屏表面半球总发射率对多层隔热材料表观导热系数影响
• 6.4.2 反射屏个数对多层隔热材料表观导热系数的影响
• 6.4.3 一维稳态条件下多层隔热材料的隔热效率
• 6.5 多层隔热材料一维瞬态传热模型及其隔热效率
• 6.5.1 多层隔热材料一维瞬态传热模型
• 6.5.2 多层隔热材料的隔热效率
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 一维稳态传热计算程序
• 附录2 一维瞬态传热计算程序
• 附录3 一维瞬态传热厚度计算程序
• 附录4 一维瞬态传热均质隔热材料厚度的计算程序
• 附录5 复合隔热材料密度、厚度计算程序
• 附录6 多层隔热材料稳态传热计算程序
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历