高温氧化对超高温陶瓷材料耦合传热的影响

超高温陶瓷材料暴露于极端高温飞行环境中会导致其发生氧化,表面生成的氧化物具有不同的热物性从而对传热过程造成影响。针对预氧化的ZrB₂和ZrB₂-SiC,基于氧化模型预测氧化层(ZrO₂、B₂O₃、SiO₂和SiC耗尽层)厚度,利用有限元建立圆柱形代表性体积单元,并与外部高超声速流场的CFD (Computational Fluid Dynamics)求解器相耦合,研究了高温氧化对超高温陶瓷材料的耦合传热的影响。计算中采用分区求解方法,通过耦合界面处非匹配网格间的插值完成实时数据交换,实现了基于Navier-Stokes方程的流动求解器与有限元求解器的多场耦合计算。ZrB₂、ZrB₂-SiC以及氧化生成物的热物性均为温度相关,通过理论计算给出了B₂O₃挥发及SiC耗尽导致的多孔结构的有效热导率和有效比热容。瞬态耦合传热分析的结果表明:ZrB₂在预氧化后其热阻能力略有提高, ZrB₂-SiC氧化前后的热阻变化很小,并且在相同流动环境条件下,氧化后ZrB₂的热阻能力高于氧化后ZrB₂-SiC的热阻能力。