[发明专利]一种用于周期性结构复合材料高温下传热特性的快速预测方法

权利要求书

1.一种用于周期性结构复合材料高温下传热特性的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，对具有周期性结构的复合材料，建立可扩充的计算对象基本参数数据库，内容包括基体相与弥散相材料的种类、导热/辐射物性参数、不同组分占比以及编织结构；

步骤2)，提取复合材料关键结构特征参数，对细观尺度下的表征单元进行数值重构；

步骤3)，使用粗网格划分复合材料的宏观计算域，网格质量需满足宏观尺度的计算精度；对细观尺度下的表征单元划分精细网格，网格质量需满足细观尺度的计算精度；

步骤4)，采用有限容积法求解复合材料细观尺度下的表征单元内的周期向量函数，方法如下：

定义P为在细观尺度下的表征单元内的周期向量函数，在表征单元内满足：

其中，x为宏观尺度坐标，为细观尺度坐标，ω表示材料表征单元的尺度，表示细观尺度下的向量微分算子，Λ是材料的各向异性导热系数矩阵；

步骤5)，基于细观尺度下的表征单元内的周期向量函数，计算宏观等效物性参数，所述宏观等效物性参数包括等效导热系数、等效吸收系数、等效衰减系数，以及等效散射系数和相函数的乘积；方法如下：

分别在细观尺度下的表征单元内计算等效导热系数Λ_eff、等效衰减系数β_eff、等效吸收系数κ_eff及等效散射系数和相函数的乘积(σ_sΦ)_eff，计算式为：

其中，V代表材料细观尺度下的表征单元体积，β、κ和σ_s分别为材料的衰减、吸收和散射系数，且满足β＝κ+σ_s，Φ代表散射相函数，下角标eff表示宏观等效参数；

步骤6)，基于所得宏观等效物性参数，采用有限容积法求解复合材料宏观尺度下的导热-辐射耦合传热平均温度场和平均辐射强度场；

其中，宏观尺度下导热-辐射耦合传热控制方程为：

其中，表示宏观尺度下的向量微分算子，I₀和T₀分别代表宏观尺度下的平均温度场和平均辐射强度场，dΩ是空间立体角微元，I₀(x,Ω)是坐标x处沿方向Ω的辐射强度，n为沿方向Ω的单位向量，σ_B是Stefan-Boltzmann常数；

步骤7)，进行温度场的多尺度重构，基于温度场重构结果，预测复合材料的传热特性；

其中，复合材料的温度场重构表达式为：

基于温度场的重构结果，预测复合材料在高温下的传热特性，包括复合材料的局部温度分布、导热热流密度及等效热导率，其中导热热流密度和等效热导率的计算公式为：

其中，n为单位向量，Q为沿n方向的导热热流密度，λ_eff为等效热导率，Q_H表示材料厚度方向的导热热流密度，H为材料厚度，ΔT为材料厚度方向的温差。

2.根据权利要求1所述用于周期性结构复合材料高温下传热特性的预测方法，其特征在于，所述步骤1)中，具有周期性结构的复合材料包括纤维增强复合材料、气凝胶复合隔热材料和陶瓷泡沫多孔材料，所述物性参数包括材料的导热系数、吸收系数、衰减系数及散射系数，导热系数使用激光热导仪和同步热分析仪进行测量。

3.根据权利要求1所述用于周期性结构复合材料高温下传热特性的预测方法，其特征在于，所述步骤2)中，在高温传热特性数值计算前，进行表征单元的参数化几何重构，方法为：使用X光断层扫描或扫描电子显微镜获得材料细观尺度下的扫描结果，经过图像处理方法，得到表征单元重构所需要的关键结构特征参数，包括孔隙率、弥散相的特征尺寸以及组分占比。

4.根据权利要求1所述用于周期性结构复合材料高温下传热特性的预测方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用非结构化四面体或六面体网格划分复合材料宏观计算域、细观尺度下的表征单元。