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碳基材料烧蚀传热问题的不确定性分析方法

刘挺 刘骁 郭磊 曾磊 国义军

刘挺,刘骁,郭磊,等. 碳基材料烧蚀传热问题的不确定性分析方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(6):2064-2073
引用本文: 刘挺,刘骁,郭磊,等. 碳基材料烧蚀传热问题的不确定性分析方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(6):2064-2073
LIU T,LIU X,GUO L,et al. Uncertainty analysis methods for heat transfer ablation in carbon-based materials[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(6):2064-2073 (in Chinese)
Citation: LIU T,LIU X,GUO L,et al. Uncertainty analysis methods for heat transfer ablation in carbon-based materials[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(6):2064-2073 (in Chinese)

碳基材料烧蚀传热问题的不确定性分析方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0301
基金项目: 

国家重点研发计划(2019YFA0405202)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:liuxiao8146@163.com

  • 中图分类号: V19

Uncertainty analysis methods for heat transfer ablation in carbon-based materials

Funds: 

National Key Research and Development Program of China (2019YFA0405202)

More Information
  • 摘要:

    针对烧蚀传热问题进行不确定性量化研究,烧蚀预测采用双平台模型,对烧蚀动边界下的传热过程使用有限元方法进行数值求解。使用正交试验研究参数对目标变量的影响,发现在2种典型加热条件(高热流、短时间和低热流、长时间)下,输入参数对烧蚀量的影响有所不同,而对背面温度的影响大小一致。为得到更精准的不确定性量化结果,进一步使用蒙特卡罗(MC)方法和多项式混沌(PC)方法对烧蚀传热问题进行不确定性分析,通过敏感度分析发现,在2种加热条件下,热流是影响烧蚀量较为关键的因素。而对背面温度的影响,状态1(高热流、短时间)中的热导率影响最大,状态3(低热流、长时间)中的热流影响相对较大。相比MC方法,PC方法能够有效减少计算成本,获得较为满意的计算结果。

     

  • 图 1  烧蚀后退量随时间变化

    Figure 1.  Change in ablation retreat over time

    图 2  状态1和状态3烧蚀速率随时间变化

    Figure 2.  The ablation velocity of state 1 and state 3 changes over time

    图 3  状态1碳-氧反应相关组分质量分数曲线及表面温升曲线

    Figure 3.  Concentration curve and surface temperature rise curve of carbon oxygen reaction related components in state 1

    图 4  状态3碳-氧反应相关组分质量分数曲线及表面温升曲线

    Figure 4.  Concentration curve and surface temperature rise curve of carbon oxygen reaction related components in state 3

    图 5  不确定性传播分析流程

    Figure 5.  Uncertainty propagation analysis flowchart

    图 6  2种状态下不同MC计算次数下目标变量的概率密度

    Figure 6.  Probability density of target variable under different MC calculation times in two states

    图 7  2种状态下PC和MC计算10000次目标变量概率密度

    Figure 7.  PC and MC calculate the probability density of target variables 10000 times in two states

    表  1  碳/碳材料模型试验状态及烧蚀测量结果

    Table  1.   Carbon/carbon material model test status and ablation measurement results

    状态 烧蚀前
    尺寸/mm
    烧蚀后
    尺寸/mm
    焓值/
    (MJ·kg−1)
    热流/
    (MW·m−2)
    烧蚀
    时间/s
    状态1 40.12 36.5 10 30 15
    状态2 40.06 38.5 5 10 15
    状态3 40.05 33.5 5 10 45
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    表  2  正交试验结果

    Table  2.   Orthogonal test results

    分组热导率水平/%比热容水平/%密度水平/%热流水平/%烧蚀量/mm背面温度/K
    状态1状态3状态1状态3
    11101101101103.06446.3687910.94971429.1593
    21101201201203.09756.3096807.62771293.7382
    31101301301302.99846.2558725.75291174.8075
    41201101201303.55607.7881920.59611457.9038
    51201201301102.83955.1888790.24861241.3909
    61201301101202.81275.7344858.47541357.6171
    71301101301203.35216.6127895.94071395.9750
    81301201101303.30067.0547974.78111515.5080
    91301301201102.69674.7004829.17431287.5658
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    表  3  烧蚀量的极差分析结果

    Table  3.   Range analysis results of ablation amount

    状态 因素 k1/mm k2/mm k3/mm 极差/mm
    状态1 热导率 −3.053 −3.069 −3.116 0.063
    比热容 −3.324 −3.079 −2.836 0.488
    密度 −3.059 −3.117 −3.063 0.058
    热流 −2.867 −3.087 −3.285 0.418
    状态3 热导率 −6.311 −6.237 −6.064 0.189
    比热容 −6.923 −6.184 −5.505 1.360
    密度 −6.386 −6.208 −6.019 0.367
    热流 −5.361 −6.219 −7.033 1.614
     注:k1k2k3分别为因素在110%、120%、130%水平下对结果的影响。
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    表  4  背面温度的极差分析结果

    Table  4.   Range analysis results of back temperature

    状态 因素 k1/K k2/K k3/K 极差/K
    状态1热导率814.777856.44899.96585.188
    比热容909.162857.552804.468104.694
    密度914.735852.466803.981110.754
    热流843.458854.015873.7130.252
    状态3热导率1299.2351352.3041375.694100.448
    比热容1427.6791350.2121249.341154.349
    密度1434.0951322.4141270.724163.370
    热流1295.3831349.111382.7463.368
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    表  5  输入随机变量及其变化范围

    Table  5.   Input random variables and their variation range

    输入参数 不确定度/%
    热导率 ±20
    比热容 ±10
    密度 ±10
    热流 ±30
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    表  6  100000次MC计算目标最值

    Table  6.   100000 MC calculations target most value

    状态 烧蚀量/mm 背面温度/K
    最小值 最大值 最小值 最大值
    状态1 −4.58 −2 716.3427 1404.27678
    状态3 −10.73 −2.97 1120.52157 1986.70322
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    表  7  目标变量统计矩

    Table  7.   Target variable statistical moment

    方法 烧蚀量
    均值/mm
    烧蚀量
    标准差/mm
    背面温度
    均值/K
    背面温度
    标准差/K
    MC计算状态1 −3.11 0.545479 982.9026 106.7819
    PC计算状态1 −3.11 0.543199 983.10855 105.95302
    MC计算状态3 −6.56 1.72 1512.02263 133.02574
    PC计算状态3 6.56 1.71 1512.31966 132.35831
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    表  8  目标变量Sobol指标

    Table  8.   Target variable Sobol index

    因素烧蚀量Sobol指标背面温度Sobol指标
    状态1状态3状态1状态3
    热导率1.41×10−50.0059232370.5120970660.300210835
    密度0.1095540850.0772894850.1915482950.182521824
    比热容1.19×10−50.0035862520.2094844970.205598757
    热流0.8904199770.9132010260.0868701420.311668585
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-09
  • 录用日期:  2024-07-05
  • 网络出版日期:  2024-08-19
  • 整期出版日期:  2026-06-30

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