(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211523583.7 (22)申请日 2022.12.01 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 叶致凡　赵瑾　文东升　 (74)专利代理 机构 北京天汇航智知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11987 专利代理师 陈陈数 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06N 3/00(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 高超声速飞行器防热材料表面催化特性多 尺度预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种高超声速飞行器防热材 料表面催化特性多尺度预测方法， 包括步骤： 将 高超声速来流远场条件输入C FD求解器中进行高 超声速飞行器外流场的数值模拟； CFD计算收敛 之后， 通过后处理软件C FD‑Post提取壁面组分质 量分数和温度分布； 通过RMD求解器计算得到用 于统计复合成分子的原子数量的产物文件； 通过 复合成分子的原子个数与撞击表面原子个数的 比值计算表面催化复合速率， 将其输入CFD求解 器中进行迭代计算， 得到壁面热流密度和流场温 度分布。 该方法针对高超声速飞行器防热材料表 面催化复合特性进行多尺度预测， 提高了对气固 界面材料演化机理的表征能力和非烧蚀型热防 护系统表面热 预测的精度。 权利要求书2页 说明书8页 附图8页 CN 115544675 A 2022.12.30 CN 115544675 A 1.一种高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： S1， 无壁面催化反应情况下， 将高超声速来流远场条件输入CFD求解器中进行高超声速 飞行器外流场的数值模拟； S2， CFD计算收敛之后， 通过后处理软件CFD ‑Post提取壁面组分质量分数和温度分布， 并输入RMD求 解器； S3， 对目标非烧蚀防热材料气固界面进行建模， 得到目标非烧蚀材料的微观模型， 通过 RMD求解器对微观模 型进行数值模拟， 以CFD计算得到的壁面 温度为加热温度， 以CFD计算得 到的壁面组分质量分数作为分子和原子的入射比例对微观模型中的固相原子模型进行撞 击， 得到用于统计复合成分子的原子数量的产物文件； S4， 待微观模型达到稳定时， 通过复合成分子的原子个数与撞击表面原子个数的比值 计算表面催化复合速率； S5， 将催化复合反应速率输入CFD求解器中进行迭代计算， 得到考虑气固界面催化复合 效应情况 下高超声速飞行器壁 面热流密度和流场温度分布。 2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其 特征在于， 所述CFD求 解器采用ANSYS  Fluent。 3.根据权利要求1所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其 特征在于， 所述RMD求 解器采用ReaxF F反应力场支持下的LAM MPS。 4.根据权利要求1 ‑3任一项所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度 预测 方法， 其特 征在于， 所述 步骤S1具体为： 将远场温度、 压强、 速度和远场组分质量分数的边界条件输入CFD求解器中， 通过求解 非平衡NSF方程和双温模型， 得到结果文件， 包括记录边界条件、 湍流模型、 组分输运模型、 差分格式和网格的.cas文件和记录每 个网格物理量数值的.dat文件。 5.根据权利要求4所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其 特征在于， 所述 步骤S2具体为： 将.cas和.dat文件输入后处理软件CFD ‑Post中， 通过计算功能， 对壁面所有网格上存 储的参数进行求和取平均， 计算获得壁面温度 Tw、 壁面N原子质量分数ωN、 壁面N2分子质量 分数ωN2、 壁面NO分子质量分数ωNO、 壁面O原子质量分数ωO和壁面O2分子质量分数ωO2。 6.根据权利要求5所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其 特征在于， 所述步骤S3中， 通过Material s Studio和Packmol对目标 非烧蚀防热材料气固界 面进行微观建模， 得到目标非烧蚀材料的微观模 型， 包括真空层、 入射层、 气固界面、 加热层 和固定层， 加热层和固定层构成固相原子模型。 7.根据权利要求6所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其 特征在于， 所述 步骤S4包括以下子步骤： S41， 读取产物文件， 所述产物文件中奇数行为输出的分子产物名称， 偶数行为分子产 物对应的分子数量， 以字符串数组的形式导入MATLAB中； S42， 催化复合系数的计算公式为权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115544675 A 2遍历定位所有奇数行中N2字符串所在数组的位置， 输出该奇数行对应的偶数行的时间 步和N2分子的数量信息， 将N2分子的数量乘以分子中单原子个数2再除以入射N原子的个数， 得到催化复合系数γ随时间变化的趋势； S43， 选取催化复合系数稳定后的时间段， 对该时间段内的催化复合系数取平均， 得到 宏观催化复合系数γh， 所对应的催化复合反应速率 为 其中，kw为催化复合反应速率， γh为宏观催化复合系数， M为气体分子的质量， R为气体 常数，Tw为壁面温度。 8.根据权利要求7所述的高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法， 其 特征在于， 所述 步骤S5具体为： 在CFD求解器中重新读取步骤S1中的.cas和.dat文件， 在原有计算结果的基础 上， 加入 壁面催化复合反应， 反应速率与步骤S43计算得到的催化复合反应速率 kw一致； CFD计算完 成后， 通过后处 理软件CFD ‑Post获取壁 面热流密度和外流场温度云图。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115544675 A 3