本書編寫目的是對絕熱材料燒蝕機理和模型方面最新的研究成果進行系統(tǒng)的闡述。首先介紹固體火箭發(fā)動機熱防護和燒蝕的基本概念、燒蝕研究的重要性，以及燒蝕研究的進展情況；然后簡要介紹絕熱材料方面的基本知識；接著分別從熱分解、炭化層特性、熱化學燒蝕、剝蝕和侵蝕等方面深入闡述絕熱材料的燒蝕機理。在燒蝕機理基礎上開始介紹絕熱材料燒蝕建模，首先介紹傳統(tǒng)的基于分層結構的熱化學燒蝕模型，然后介紹最新的基于多孔介質的熱化學燒蝕模型，以及在其基礎上發(fā)展而來的能夠描述熱化學、剝蝕和侵蝕耦合的燒蝕模型。最后作為一個專題介紹了高溫氧化鋁沉積下絕熱材料的燒蝕機理與模型的最新成果。
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目錄
第1章 緒論 1
1.1 固體火箭發(fā)動機的熱防護 1
1.2 固體火箭發(fā)動機絕熱層的燒蝕 2
1.2.1 燒蝕的概念 2
1.2.2 燒蝕的分類 2
1.2.3 絕熱材料燒蝕問題的復雜性 3
1.2.4 絕熱材料燒蝕研究的重要性 3
1.3 絕熱材料燒蝕研究進展 4
1.3.1 燒蝕實驗方法與裝置 4
1.3.2 燒蝕特性與機理 9
1.3.3 燒蝕模型 13
1.3.4 研究現(xiàn)狀的總結 16
1.4 絕熱材料燒蝕研究展望 16
參考文獻 17
第2章 絕熱材料與燒蝕實驗方法 21
2.1 固體發(fā)動機絕熱層的作用和要求 21
2.2 絕熱材料的分類與發(fā)展 22
2.3 絕熱材料的制備方法 23
2.3.1 共混法 23
2.3.2 溶膠凝膠法 25
2.3.3 原位聚合法 25
2.4 絕熱材料常用填料 25
2.4.1 炭黑 26
2.4.2 白炭黑 26
2.4.3 纖維 26
2.4.4 硫化劑 26
2.5 常用絕熱材料 27
2.5.1 丁腈橡膠絕熱材料 27
2.5.2 三元乙丙絕熱材料 28
2.5.3 硅橡膠絕熱材料 29
2.6 燒蝕實驗方法 31
2.6.1 氧乙炔燒蝕法 31
2.6.2 燒蝕實驗發(fā)動機法 33
2.6.3 燒蝕率 34
參考文獻 35
第3章 絕熱材料熱分解與熱化學燒蝕 36
3.1 熱分解 36
3.1.1 概述 36
3.1.2 測試方法 37
3.1.3 EPDM絕熱材料熱分解特性 39
3.1.4 EPDM絕熱材料熱分解機理與動力學 41
3.2 熱化學燒蝕 45
3.2.1 SiC的原位生成與消耗反應 46
3.2.2 熱化學主導反應式 47
3.2.3 熱化學反應熱力學分析 48
3.2.4 熱化學反應動力學分析 49
參考文獻 53
第4章 炭化層特性 54
4.1 炭化層制樣方法 54
4.2 炭化層的物理特性 54
4.2.1 密度和孔隙率 55
4.2.2 黑度 56
4.2.3 導熱系數(shù)和比熱容 57
4.3 炭化層化學特性 58
4.4 炭化層力學特性 59
4.4.1 硬度與模量 59
4.4.2 抗壓縮性能 60
4.4.3 耐磨耗性能 61
4.5 炭化層結構特性 61
4.5.1 微觀形貌 61
4.5.2 微觀結構及孔徑分布 63
4.5.3 比表面積 64
4.6 炭化層中的組分遷移 65
4.7 炭化層中的致密/疏松結構 68
4.7.1 炭化層孔隙結構對燒蝕的影響 68
4.7.2 炭化層致密/疏松現(xiàn)象 68
4.7.3 炭化層致密/疏松結構的形成機理 70
參考文獻 72
第5章 氣流剝蝕與粒子侵蝕 73
5.1 氣流剝蝕 73
5.1.1 燃氣速度對燒蝕的影響 73
5.1.2 炭化層冷流剝蝕實驗研究 77
5.1.3 氣流剝蝕機理的總結 88
5.2 粒子侵蝕 88
5.2.1 稠密粒子侵蝕條件下絕熱材料燒蝕特性 89
5.2.2 粒子侵蝕的熱增量 101
5.2.3 冷態(tài)粒子侵蝕條件下炭化層的強度特性 112
5.2.4 粒子侵蝕機理的總結 119
參考文獻 119
第6章 基于分層結構的熱化學燒蝕模型 121
6.1 物理模型 121
6.2 表面能量和質量守恒方程 123
6.3 氣相層流邊界層方程及數(shù)值解 126
6.3.1 層流邊界層方程 126
6.3.2 微分方程的無因次變化 127
6.3.3 常微分方程的數(shù)值解 129
6.4 氣膜分析法 130
6.5 材料內部熱響應 132
6.5.1 材料熱響應控制方程 132
6.5.2 數(shù)值處理 133
6.6 表面化學反應熱效應和組分方程 138
6.6.1 表面化學反應熱效應 138
6.6.2 表面組分守恒方程 139
6.7 計算方法 141
6.7.1 非線性方程組解法 141
6.7.2 計算流程 143
6.8 算例及驗證 145
參考文獻 148
第7章 基于多孔介質的熱化學體燒蝕模型 149
7.1 物理模型 149
7.1.1 絕熱材料燒蝕過程 149
7.1.2 體燒蝕模型概念 150
7.1.3 炭化層多孔介質物理模型 151
7.1.4 基本假設 152
7.2 數(shù)學模型 153
7.2.1 體平均控制方程 153
7.2.2 氣體組分擴散模型 159
7.2.3 初始及邊界條件 160
7.2.4 燒蝕表面熱流密度 160
7.2.5 熱化學燒蝕模型 161
7.3 數(shù)值計算方法 165
7.3.1 控制方程的一般形式 165
7.3.2 一般輸運方程的離散化 166
7.3.3 計算步驟 168
7.4 算例 169
參考文獻 172
第8章 絕熱材料的侵蝕/燒蝕耦合模型 173
8.1 侵蝕與熱化學燒蝕的耦合關系 173
8.2 基于臨界孔隙率的侵蝕/燒蝕耦合模型 174
8.2.1 建模思想 174
8.2.2 侵蝕臨界孔隙率關系式 174
8.2.3 計算流程 175
8.2.4 模型驗證及結果分析 176
8.3 基于炭化層破壞的侵蝕/燒蝕耦合模型 179
8.3.1 炭化層等效幾何單元模型 179
8.3.2 炭化層力學參數(shù)表征 180
8.3.3 粒子對炭化層的侵蝕模型 189
8.3.4 耦合計算程序 198
8.3.5 模型驗證與計算分析 200
參考文獻 207
第9章 高溫氧化鋁沉積下絕熱材料燒蝕機理與模型 209
9.1 概述 209
9.1.1 研究背景 209
9.1.2 關鍵問題 210
9.1.3 研究思路 211
9.2 固體發(fā)動機氧化鋁沉積計算 212
9.2.1 兩相流動數(shù)值模型 212
9.2.2 液滴壁面碰撞模型 214
9.2.3 典型發(fā)動機氧化鋁沉積數(shù)值模擬 215
9.3 氧化鋁沉積實驗 217
9.3.1 實驗與測試方法 217
9.3.2 實驗結果與分析 221
9.4 氧化鋁沉積熱流的反演計算 226
9.4.1 導熱反問題數(shù)值求解方法 226
9.4.2 計算模型的檢驗 231
9.4.3 沉積熱流的反演計算 232
9.4.4 氧化鋁沉積的傳熱特性分析 234
9.5 高溫氧化鋁與炭化層的反應特性研究 236
9.5.1 氧化鋁與炭化層反應的熱力學分析 236
9.5.2 氧化鋁與炭化層反應動力學研究 240
9.5.3 高溫氧化鋁與炭化層的反應機理總結 250
9.6 氧化鋁沉積條件下絕熱材料燒蝕模型 251
9.6.1 沉積燒蝕模型 251
9.6.2 沉積燒蝕計算程序 253
9.6.3 模型的檢驗與修正 254
參考文獻 261
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