大氣模式激光推進中熱,力聯(lián)合沖擊效應的數(shù)值模擬.doc

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1、大氣模式激光推進中熱、力聯(lián)合沖擊效應的數(shù)值模擬許仁萍,唐志平,張慶紅,張凌(中國科學技術大學中科院材料力學行為和設計重點實驗室,力學和機械工程系激光推進實驗室,合肥,230026)摘要:采用流固耦合的計算方法,對MYRABO光船的激光推進演示實驗中的熱力沖擊響應進行了數(shù)值模擬,分析了實驗中存在的三種熱源對光船溫升的影響。多脈沖計算結果表明,在激光作用不到100個脈沖時,聚焦區(qū)域,因為熔化而產(chǎn)生解體,這與文獻中的實驗結果符合。關鍵詞:激光推進;熱力沖擊;MYRABO光船;傳熱NumericalSimulationofThermo-mechanicalShockoftheLightcraftf

2、orLaserPropulsionofAirBreathingModeRenpingXu,ZhipingTang,QinghongZhang,LingZhang(KeyLaboratoryforMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,CAS,LaserPropulsionLaboratory,DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofchina,Hefei230026)AbastractForlightcraftofMYRABO,NumericalSimulationof

3、thermo-mechanicalShockforLaserPropulsioniscarriedoutusingthefluid-solidcouplingmethod:analyzingtheaffectionofthreeheattransfermodeoninterface.Theresultofmulti-pulsefittheexperimentalresults:under100pulses,thecraftwillmelt.keywords:Laserpropulsion,Thermo-dynamicshock,LightcraftbyMYRABO,Heattransfer

4、1.引言激光推進器是一種新概念航天推進器,產(chǎn)生的等離子體溫度可達1萬K以上,甚至幾萬K,遠高于傳統(tǒng)化學火箭的工作溫度和所有材料的熔點,而且激光推進器通常以脈沖爆轟方式工作,對推進器結構將產(chǎn)生周期性強沖擊,因此其熱、力沖擊程度遠比傳統(tǒng)的化學火箭發(fā)動機嚴重。美國Rensselaer工學院的Myrabo教授在新墨西哥州白沙導彈靶場和NASA聯(lián)合進行的大氣模式推進演示實驗中,鋁合金拋物面模型光船的最大升高不到30米,工作時間不能超過4s,或100脈沖。超過這一極限,光船在空中發(fā)生熔化或解體[1],由此意識到激光推進中的熱、力破壞問題。Myrabo演示試驗所用的脈沖CO2激光器的平均功率為10KW,

5、500J/脈沖,頻率約25Hz。對于將來微小衛(wèi)星的激光發(fā)射入軌,激光器將是兆瓦級以上,推進時間將長達10-20分鐘,均比Myrabo實驗高出2個量級以上,可以設想熱、力沖擊的程度將十分嚴峻。因此熱、力沖擊破壞問題將是激光推進技術研究中的必須克服的關鍵問題之一。目前關于激光推進抗熱力沖擊的研究并不多,只在少數(shù)實驗報道中提及[1-2],缺乏對其機理的探討和較系統(tǒng)的分析。激光推進中的熱、力沖擊問題涉及強光輻射、高溫等離子體流場與推進器結構的熱、力流固耦合、以及推進器材料和結構的熱、力耦合響應等一系列復雜的物理、力學問題,弄清其機理、規(guī)律和主要因素,對于這一關鍵問題的解決、提出有效防護方法,是十分

6、必要的。本文針對MYRABO光船的熱、力聯(lián)合沖擊問題,建立流固耦合的計算方法,固體結構計算中采用熱、力耦合的本構計算模型,計算單、多脈沖下光船的響應,試圖分析各種熱機制對光船熱、力破壞的影響。2.計算模型和方法2.1模型圖1為MYRABO光船模型示意圖,其中ABCD為反射聚焦壁面,也是計算中熱流和力的加載面。圖2為聚焦區(qū)域的放大圖,F(xiàn)為焦點位置。Fig1DiagrammaticsketchoftheflightFig2Partialenlargeddrawing2.2計算方法激光推進中熱力沖擊問題的屬于流固耦合問題,作用發(fā)生在流、固兩相交界面上。本文在計算中采用分區(qū)求解、邊界耦合的方法[3

7、]:即分別在流體區(qū)域和固體區(qū)域建立控制方程,將流體區(qū)域計算得到的熱力時空關系作為固體區(qū)域的載荷,進行固體區(qū)域的熱力沖擊計算。具體方法為:1.在商業(yè)軟件FLUENT中進行流場計算分析,通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)實時輸出飛行器內(nèi)邊界的熱力時空關系,。2.將,數(shù)據(jù)文件經(jīng)過FORTRAN程序處理,轉化成施加在壁面的熱流和力的數(shù)據(jù)文件。3.在ABAQUS計算中采用適合瞬時動態(tài)力學行為的顯式方法(ABAQUS/Explict)

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