火箭喷管携带炭化防热系统的耦合流-热分析

本文提出了一种对火箭喷管进行共轨流-热分析的计算方法，后者配备了炭化防热系统(TPS)。该研究采用耦合方法，将CFD求解器与自开发的瞬态材料响应代码集成，通过在流体-固体界面处交换边界条件来实现。喷管采用AVCOAT TPS并受到高温可压缩流作用。结果识别出喷管喉部为关键位置，表现出最高的对流负载、早期达到材料烧蚀温度以及逐渐的表面退化。耦合仿真的时序分析揭示了壁面热流在初始时呈峰值，随后出现暂时性降低，最终再次上升，因为黏性耗散和演化表面条件修改了近壁热场。模拟运行120秒后，喉部最大表面退化约为2.5 mm。该研究为预测配备炭化TPS材料的火箭喷管的热响应和烧蚀行为提供了方法，提出的框架为在极端环境中设计和优化高性能喷管提供了宝贵的见解。