高速气流作用下能量加载金属蜂窝板数值模拟

状 态下 能量 加载 金属 蜂窝 板 的热 响应 。 为极端 热 流条 件下 金属 蜂窝 板 的性能 评估 和结 构设 计提 供 丫参 考。
ｌ 数 学 模 型
１ ． １ 问题 描 述 考 虑处 于高 速气 流 巾的金 属蜂 窝板 受 能量 加 载 的流 固 耦 合 问 题 。 图 １足 气 流 条 件 下 能 量 加 载 金 属 蜂 窝 板 模 型 示
蜂 窝夹 层结 构 、 蜂 窝 夹芯 板 。由 于其具 有密 度小 、 强 度高 、 刚性大、 隔热 减 振性 能 好 等 优点 ， 在航 空 航 天 、 列车、
船 舶及 建筑 等领 域获 得 了极其 广 泛的应 用 。金属 蜂 窝结 构 以其 特 有 的高 比刚度 、 比强 度 、 结 构 稀疏 、 完整 性 与
热 系数 等 。 同内 史丽萍 等数 值分 析 了金属 蜂 窝夹层 结 构 的Ｊ 寸效应 ， 指 …蜂 窝 高度 和 胞 壁 厚 度等 结 构 参
数 影响 较大 ； 董 葳和 范绪笑 数值模 拟 了六角 蜂 窝腔 内三 维 自然 对流 换热 ； 梁伟 等 利用 有 限 元软 件 Ｎａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ 计算 了金属 蜂窝 夹芯 板 瞬态热 性 能 。上 述研 究 大 多 着 眼于 较 低 热 流 密度 加 载 （ Ｗ ｃ ｎ 。 量级 ） 下 金 属 蜂 窝 结 构 的 传热特 性 和热 力响 应 ， 对 于较 高热 流 密度 （ ＞１ ０ ０ Ｗ／ ｃ ｍ ） 下 的冲击 热载 荷较 少涉 及 焉 合气 流 条件 下金 属 蜂 窝结 构 的流 同耦 合研 究更 是很 少开 展 。对于 较高 热流 密度 下 物 质 的热 力 响应 ． 激 光加 载 是 一 种 简单 高 效 的方 法， 相 关的研 究 已经 大量 开展 川 ， 但激 光加 载金 属蜂 窝 的相关 研 究相 对较 少 。本 文 建立 了高速 气 流 作用 下 能 量 加载 金属 蜂窝 板烧 蚀动 力学 模 型 ， 利用 连续 激 光模 拟高 热 流下 的能 量加 载 ． 采 用 流 同耦 合 计算 方 法 ， 利 用 两 相 流模 型和 凝 同／ 熔 化模 型模 拟 了熔 融 金属 与高 速气 流作 用 的 动 力学 过程 。使 用 该 数 值方 法 获取 ＿ ｒ ＿ 不 同气 流
张 黎， 张永强， 贺 佳， 谭福利， 赵剑衡
（ 巾 围 工 程 物 理 研 究 院 流 体 物 理 研 究 所 ，网川 绵 ｌ ５ 【 】 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）
摘
要： 数 值 模 拟 研 究 了高 速 气 流 作 用 下 能量 加 载 金 属 蜂 窝 板 温 度 场 。针 对 金属 蜂 窝典 型单 冗 ， 构造 ｒ
蜂 窝 核 细 观 热 数 值计 算 分 析模 型 。 采 用 流 同 耦 合 计 算 方 法 ． 使 用 两 棺 流 模 型 和 凝 同／ 熔 化 模 型 模 拟 气 流 对烧 蚀物的剥蚀 ． 较 完 整 地 模 拟 ｒ能 量 加 载 金 属 蜂 窝 板 的 物 理 变 化 过 程 ． 计算 得 到 了 ， 金 属 蜂 窝 板 的 温 度 分 布 以 及烧
第２ ９卷 第 ７期
２ ０ １ ７年 ７月 来自强 激 光 与 粒 子 柬
ＨＩ Ｇ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ Ｓ ＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ Ｒ Ｔ１ ＣＩ Ｅ ＢＥ八 Ｍ Ｓ
Ｖｏ １ ． ２９．ＮＯ． ７ Ｊ ｕ １ ．．２ （ ） ｌ ７
高 速气 流 作 用 下 能 量 加 载 金 属 蜂 窝板 数 值 模 拟
极 低 的结构 密 度等优 点 ． 成 为热 防护系 统 面板结 构 的首选 。一直 以来 ， 各 国学 者对金 属蜂 窝结 构 的热 响应 研究 从 未 间断 ， 他们 从蜂 窝结 构 的热 冲击响 应 、 传 热特 性 和尺 寸 效应 等 多方 面做 了大 量 的 数值 模 拟 丁作 ． 取 得 了一 系列颇 有价 值 的成果 。Ｇｕ 门 和 Ｔ． Ｊ ．Ｉ ｕ 等 比较 ｒ不 同形状 简单蜂 窝 热 耗 散性 能 ， 发 现在 高 流速 情 况下 Ｅ 六 边形 蜂 窝散 热效 牢优 于正 方形 蜂 窝 和正 ｊ ＝ 角 形蜂 窝 ； Ｓ ｗａ ｎ ｎ和 Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ 采 用 半 经验 公 式 计算 蜂 窝 夹 层 结 构 等 效导 热 系数 ， 并 分 析 ｒ 结 构 寸 和材 料参 数变 化 时 对导 热 系 数 的影 响 ； Ｋａ ｍｒ ａ ｎ 采 用有 限 差 分 法 汁算 了传 导 与辐 射综 合作 用下 ， 蜂 窝夹 层结 构 的等 效 导热 系 数 ； Ｆ ａ ｔ ｅ ｍｉ 利用 辐 射 换 热 系数 计 算蜂 窝 夹 芯 的 有效 辐 射传
中图 分 类 号 ： ＴＮ２ ４ ６ 文献标 志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ８ ４ ／ ＨＰＩ Ｐｔ ３ ２ ０１ ７ ２ ９ ． １ ６ ０ ４ ６ ７
蜂 窝板 是 南上下 两块 薄 面板夹 着一 层蜂 窝芯 组 成 ， 蜂 窝 的高度通 常 是面 板厚 度 的几倍甚 至 几 十倍 ． 义名
意图， 金 属蜂 窝板 由上下蒙 皮 和蜂 窝芯 组成 ， 蜂 窝 芯 的横 截 面 为正 六边 形 。蜂 窝 上 下 盖 板 厚 ０ ． ５ ｍｍ， 蜂 窝部 分 厚 度 ０ ． ０ ７ ５ ｍｌ ｑ １ － ， 外接圆 ８ ｉ Ｙ ｌ Ｉ ｌ ｌ ， 蜂窝板总厚度为 １ ５ ｍｍ。气 流 为水 平方 向无穷 远 处 均 匀 来 流 ， 能量 加 载 通 过 连 续 激 光 实 现， 热流 垂直 于金 属 蜂 窝板 ． 假设热流均匀分布， 作 用 时 间 １ ０ ｓ ． 作用 区 域 投 影 为 圆 形 ， 直径 ２ ５ ｍｍ， 材 料 吸 收 率 为
蚀 形 貌 。结 果 表 明 两相 流 方 法 能 够 较 全 面 地模 拟 能 量 加 载 金 属 蜂 窝 板 过 程 中 的 对 流 换 热 、 熔 化与凝 周过程 以 及 金 属 液 体 在 气 流 冲刷 下 的 动 力学 过 程 ， 能 获 得 较 为 合 理 的 物 理 像 。 关键词 ： 流同耦合 ； 两 相流 ； 能量加载 ； 金 属 蜂 窝 板