用数值方法模拟双锥、圆柱、椭球、圆锥和倒圆锥五类等质量异形铝粒子五种高宽比共25种粒子对半无限铝靶的超高速撞击侵蚀。撞击速度为4km/s。给出了抗深、坑径、坑形参数和抗体积随业子形状及高宽比的变化曲线

刘大有

庄峰青

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 卷 第 期年 月空 气 动 力 学 学 报 。 ,。,等质量异形粒子超高速撞击侵蚀庄峰青 刘大有中国科学院力学研究所 , 北京摘要 用 数值方法模拟双锥 、 圆柱 、 椭球 、 圆锥和倒圆锥五类等质量异形铝粒子五种高宽比共 种粒子对半无限铝靶的超高速撞击侵蚀 。 撞击速度为 。 给出了坑深 、 坑径 、 坑形参数和坑体积随粒子形状及高宽比的变化曲线 。计算结果对非圆球异形粒子超高速值击浸蚀计算有重 要参考价值 。关键词 超高速撞击 侵蚀 , 数值模拟 , 粒子云 弹塑性流沐中图分类号引 言高速飞行器再入大气层时 , 由于头激波的压缩作用以及飞行器同空气的强烈摩擦 ,使空气温度显著升高 , 引起飞行器表面烧蚀 。 当空气中含有雨滴 、 冰 雪 或尘埃等粒子时 , 粒子同飞行器表面发生撞击 , 导致飞行器表面材料 例如防热层 损失 , 即导致侵蚀 。理论和实验均表明 , 有粒子时防热层的损失大大超过无粒子时的损失 。 因此 , 粒子云侵蚀是高速飞行器防热层设计中要考虑的重要因素之一 。 我们曾用数值方法研究圆球形粒子超高速撞击侵蚀过程 , 提出了确定最终坑形的新准则 —坑面唇边动压准则。 实际问题中遇到的粒子 , 如雨滴 、 冰雪或尘埃等 , 其形状丰富多彩 , 因此有必要研究非圆球形粒子的超高速撞击侵蚀 。本文用数值方法探讨双锥 、 圆柱 、 椭球 、 圆锥和倒圆锥这 类铝粒子对半无限铝靶的超高速撞击侵蚀 。 粒子质量均等于半径为 的铝圆球质量 。每类粒子又取 种高宽比 、 、 、 和 。 因此 , 共计算了 种不同粒子的算例 , 撞击速度为 。计算结果表明 , 最严重工况的坑深 即穿透深度 可为圆球情况的 倍 。 所以在设计对穿透深度有严格要求的高速飞行器时 , 必须考虑粒子的具体形状 , 以获得可靠数据 ,设计出重量轻 、 防热性能好的防热层结构 。数值模拟高速飞行器再入大气层时的粒子侵蚀问题属于撞击力学中的超高速撞击问题 。 本文本文于 年 月 日收到 , 月 日收到修改稿 。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 期 庄峰青 、 刘大有 等质量异形粒子超高速撞击浸蚀 宁所利用的 编码 已对输运量的计算及坑形的确定方法作了改进 〔’一 ” 。 我们感兴趣的粒子侵蚀问题是超高速撞击中的厚靶问题 。 粒子为旋成体 , 它以超高速沿对称轴方向垂直地撞击无限厚靶 即飞行器表面 。 粒子和靶材均视为弹塑性流体 。基本方程为二维柱坐标系的质量 、 动量和能量守恒方程 。 关于应力应变关系 , 弹性范围内满足虎克定律 , 塑性范围用理想塑性模型 。 采用 一 屈服准则 , 再加上破坏准则和 状态方程 , 这样就构成封闭方程组 。编码采用欧拉方法研究问题 。 差分计算中运用分裂算子法 。 计算中最终坑形的确定仍采用文献中提出的坑面唇边动压准则 。计算实例计算等质量异形铝粒子以 速度撞击静止铝靶的侵蚀成坑情况 。 粒子为旋成体 , 其对称轴与粒子初始速度方向一致 。粒子形状分为 类 见图 双 锥 、圆柱 、 椭球 、 顶点撞击靶的圆 锥 和 底面 撞 击 靶 的 倒 回 锥。 图 各 分 图 中上边 长水平线代表厚靶下表面 , 粒子 自下而上沿对称轴方向垂直撞击靶面 。 每一类粒子又分为 种高宽比 、 、 、 和 , 其中对应最扁的粒子 , 对应最细长的粒子 。 因此共计算了 种粒子的撞击侵蚀 ,其中高宽比为 的椭球即圆球 。计算结果如下坑深 , 即侵蚀深度 、 穿透深度 图万乙百 万图 粒子与靶初始位置示意图一基本上随高宽比的增加而增加 , 即细长粒子穿透力强 。 所有类粒子在高宽比为 时达最大值 。 圆柱类粒子在高宽比为 时达公,么奋日。,峪叱、‘弓‘哈万图 坑深 随粒子形状及高宽比 的 变化曲线刀厂图 坑径 ‘随粒子形状及高宽比 的变化曲线琳© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net空 气 动 力 学 学 报 年 第 卷最小值 , 其它类粒子则在高宽比为 时取址小值 。坑径 侧 “红高宽比增加 即粒子变细长 坑径变小 。 当高宽比为 , 和时坑径不随粒 户种 类而变 。坑形参数 , 即坑深坑径比 图 基本上随高宽比增加而增加 , 即粒子细长 ,坑也细 长。各类粒子均在高宽比为 时取最大值 。 至于最小值 , 圆柱类粒子在高宽比 时达到 , 其它类粒子在高宽比 时达到 。坑体积 图 坑体积最大值所对应的高宽比 , 倒圆锥类粒子为 和 , 其它 类粒子为 。 坑体积最小值所对应的高宽比 , 倒圆锥和 圆柱粒子为 , 其它 类粒子为 。,厂卜尸﹄肠舫州汀︸‘勺句,曰﹄氏。或霎“么卜十嘴蕊分十叹图 坑形参数 ‘ ‘随粒子形状及 尚宽比 的变化曲线傲 一 一 ‘ ‘·石月丫刀图 坑体积 云随拉子形状及高宽比的变化曲线最大值最小值之比 就 种计算情况而言 , 坑深 、 坑径 、 坑形参数及坑体积诸量的最大值与最小值比依次为 、 、 和 。址大值与圆球值之比 坑深 、 坑径 、 坑形参数和坑体积的最大值与圆球值比分别为 、 、 和 。最大值与平均值之比 平均值为 种计算情况所得值的算术平均值 。 坑深 、 坑径 、 坑形参数和坑体积的最大值与平均值比依次为 、 、 和 。平均值与圆球值之比 坑深 、 坑径 、 坑形参数和坑体积的这个比值分别为 、、 和结束语用改进 了的 编码研究等质量异形铝粒子撞击铝靶的侵蚀问题 。 撞击速度为 。 计算了 类粒子形状 种高宽比共 利,不同粒子的实例 , 给出了坑深、 坑径 、坑形参数和坑体积随粒子形状和高宽比的变化曲线 。超高速撞击实验所用粒子形状通常为圆球形 , 而实际问题中的粒子形状则变化多端 。 根据计算结果 , 可以圆球实验结果推算非 闷球粒子撞击侵蚀时坑深 、 坑径和坑体积 。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 期 庄峰青 、 刘大有 等质量异形粒子超高速撞击浸蚀由最大值与圆球值之比可知 , 最严重工况的坑深 即穿透深度 可达圆球的倍 , 坑体积为圆球的 倍 。 因此 , 在飞行器防粒子侵蚀设计中要考虑具体粒子形状的影响 , 以便获得可靠数据 。从平均值与圆球值之比可知 , 如果实际粒子由计算的 种粒子组成 , 且每种粒子的数密度相同 , 则用圆球粒子值代替实际粒子平均值 , 就坑深 、 坑径和坑体积来说 ,带来的误差最大仅为 。对实际情况中多姿多态的粒子云超高速撞击浸蚀 , 可按下述方法求得平均值 。以本文的 种粒子为标谁 , 将组 成粒子云的粒子按形状分为 种并计算出各 自的数密度 , 然后以数密度作权函数 , 求 出粒子乙 段蚀时单个粒子超高速撞击浸蚀的坑深 、 坑径和坑体积的平均值 。 此平均位即可川于粒子云浸蚀的工程设计中 。参 考 文 献入 人。 · 衣‘ 一“ 爪 才 件 件 ‘ 。幻 里咐 琳 云石件 落件 云件 。一 一一摊 ““ 忿 了 孔 件‘ , 杠‘件己 己 云 ” , 畜摊一一, 一 , , ,一 , , , ,‘, ,, , 一 一一,

等质量异形粒子超高速撞击侵蚀

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