21383

21383

مدل سازي پاسخ گرمايي عايق هاي فداشونده كامپوزيتي

كارشناسي ارشد

مكانيك

1396

1398/7/16

دكتر حجت قاسمي

مكانيك

سيستم‌هاي حفاظت حرارتي وظيفه محافظت از سازه‌ها و تجهيزاتي را بر عهده دارند كه در شرايط بحراني مشغول به فعاليت هستند. تحليل و طراحي صحيح اين سيستم‌ها از اين جهت قابل اهميت است كه اگر سازه به درستي محافظت نشود، تمام عملكرد تجهيز متوقف خواهد شد. حفاظت از سازه‌اي كه با سرعت بسيار زياد در حال ورود به جو است، يك نازل كه نقش هدايت گازهاي بسيار داغ حاصل از احتراق در موتور را بر عهده دارد و يا سازه‌هايي كه در ساخت بدنه‌ي يك هواپيما مورد استفاده قرار مي‌گيرد از جمله قسمت‌هاي مهم در يك وسيله نقليه هوافضايي است كه بايد مورد حفاظت حرارتي قرار گيرد. در ميان سيستم‌هاي مختلف حفاظت حرارتي، عايق‌هاي فداشونده يكي از موفق‌ترين سيستم‌ها است. طراحي موفق و قابل اطمينان يك سيستم حفاظت حرارتي فداشونده، نيازمند شناخت پديده‌هاي مختلف فيزيكي و شيميايي بوجود آمده حين فعاليت عايق، شناخت انواع مواد و خواص آن‌ها (موادي كه قابليت استفاده به عنوان عايق فداشونده را دارند)، شناخت محيط‌هاي مختلف (كه يك عايق‌ فداشونده با آن روبرو مي‌شود) و استفاده از ابزارهاي پيشرفته جهت تحليل و ارزيابي عايق است. در پژوهش حاضر، مدل‌سازي پاسخ گرمايي عايق فداشونده كامپوزيتي كه در تماس با گاز داغ عبوري از روي سطح است، انجام‌شده است. انرژي ورودي از طريق جابجايي به عايق منتقل مي‌شود كه بخشي از آن توسط تشعشع، بخشي ديگر توسط واكنش‌هاي شيميايي و انتقال محصولات اين واكنش‌ها به بيرون از عايق دفع مي‌شود. سپس باقي‌مانده انرژي از طريق رسانش به داخل عايق منتقل مي‌شود. گسسته‌سازي مدل ارائه‌شده، در مختصات يك‌بعديِ صفحه‌اي، استوانه‌اي و كروي، با استفاده از روش حجم محدود انجام شده است كه براي درنظر گرفتن فرسايش شيميايي سطح، از شبكه‌ي حل متغير استفاده مي‌كند. روش عددي استفاده‌شده براي برقراري شرط مرزي انرژي در سطح عايق، از حل ماتريس سه‌قطري انرژي در هر تكرار جلوگيري مي‌كند. مدل ارائه‌شده براي انجام صحت‌سنجي، اعتبارسنجي و مطالعه پارامتريك، به زبان برنامه‌نويسي فورترن پياده‌سازي شده است. صحت‌سنجي مدل با استفاده از نتايج دو ابزار شبيه‌سازي و اعتبارسنجي آن با استفاده از نتايج يك كار تجربي انجام شده است. ميدان دما در عمق‌هاي مختلف، پس‌روي، ضخامت زغال تشكيل‌شده روي عايق و عمق پيروليز، خروجي‌هاي مورد استفاده براي صحت‌سنجي و دماي سطح و پس‌روي، خروجي‌هاي مورد استفاده براي اعتبارسنجي هستند. مطالعه‌ي پارامتريك، با استفاده از ايجاد تغيير در پارامترهاي ورودي به مسئله انجام و تأثير آن بر خروجي‌هاي مسئله بررسي شده است.

1398/09/11

Modeling of Thermal Response of Ablative Composite Thermal Protection Systems

10/8/2021 12:00:00 AM

Thermal Protection Systems (TPS) are responsible for protecting those structures which are working in a thermal critical condition. Accurate design and analysis of TPS is very important because if the structures have not been protected correctly, the whole function of the equipments will be stopped. Structures that enter the atmosphere at very high speeds, face hot gases in a nozzle or pass through air at high speeds are examples of those structures that must be protected from aerodynamic and gasdynamic heating. Among various TPS, Ablative TPS (A-TPS) are one of the most successful ones. These materials degrade (ablate) while operating in a critical thermal condition and then reduce considerably the amount of heat transfer across the materials. A successful and reliable design for a thermal protection system requires things such as understanding various physical and chemical phenomena that are involved in the ablation process, having knowledge about A-TPS materials and hyperthermal environments and using advance tools for analysis and assessment. In this dissertation, modeling of thermal response of an ablative composite that is exposed to a high temperature flow is presented. Large portion of the energy that convect to the material, dissipate through ablation process and transfer away though pyrolysis gas, surface thermochemistry reaction products and surface reradiation. Then the rest of the convected energy, transfer into material. Discretisation of the model is performed by finite-volume method in one dimensional plannar, cylindrical and spherical coordinates. Also for accounting the surface movement, the model uses the variable grid. The numerical method that is presented, avoids the need for energy tridiagonal matrix solution at the each iteration. The model in implemented in Fortran, also is verified and validated by comparision to results of appropriate references and simulation tools. The solution variables that are used for verification and validation are temperature field, surface recession, pyrolysis and char depth. A parametric study is also performed and effects of variation of the input parameters on solution variables are presented.