由冰和灰尘颗粒对以高超音速飞行的车辆造成的表面损伤

时间:2020-01-21 19:12 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

由冰和灰尘颗粒对以高超音速飞行的车辆造成的表面损伤

以高超音速行驶的车辆会受到周围大气中的冰晶和尘埃粒子的轰击,使得表面材料在每次微小碰撞中都容易受到侵蚀和溅射等损伤。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员研究了这种相互作用,每次一个分子,以了解其过程,然后将数据放大,使之与需要更大规模模拟的情况相兼容。

与黛博拉·莱文教授一起工作的博士生尼尔·梅塔研究了通常用于细长物体外表面的两种不同材料光滑的石墨烯和粗糙的石英。在模型中,这些材料被氩原子、硅原子和氧原子组成的聚合体攻击,模拟冰和尘埃颗粒撞击这两种表面材料。这些分子动力学研究告诉他们是什么东西粘在表面上,造成的伤害,以及造成伤害所需要的时间长短。都是一个埃的大小,也就是一个原子的长度。

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为什么这么小?梅塔说,从“首要原则”入手是很重要的深入了解冰和硅对石墨烯和石英表面的侵蚀作用。但是那些模拟流体动力学的人使用的长度是从几毫米到几厘米;因此,扩展MD模型的物理特性是迫切需要的。这项工作的令人兴奋之处在于,它是在这个应用程序中第一次这样做。

“不幸的是,你不能仅仅从这个非常小的埃级得出结果,并将其用于航天工程再入飞行器的计算。”梅塔说。你不能直接从分子动力学跳到计算流体动力学。还需要几个步骤。应用蒙特卡罗动力学技术的精确性,我们在这个非常小的尺度上获取细节,并分析主要趋势,以便更大的模拟技术可以将它们用于模拟高超音速飞行中发生的表面过程的演化,如侵蚀、溅射和点蚀。

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“这些过程发生的速率和这些类型的损害发生的可能性是其他动力学蒙特卡罗或规模桥接之前从未使用过的关键特征,”他说。

根据Mehta的说法,这项工作是独一无二的,因为它结合了气体表面相互作用的实验观察和分子动力学模拟来创建“第一原理”。可以应用到所有这些曲面上的规则。

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“例如,冰有形成片状、冰晶的倾向。它创造了一个分形图案,因为冰喜欢粘在另一个冰上,所以水蒸气更有可能凝结在已经在表面的冰粒子旁边,形成一个网格状的特征。而沙子会分散。它没有任何偏好。一条规则是,冰喜欢粘在其他冰上。

“同样,对于降解,石墨烯的规则是,损害更有可能发生在已存在损害的旁边,”梅塔说。“有几个规则,取决于你使用的材料,你实际上可以研究从原子层面到微米级的景观发生了什么,然后使用结果来实现计算流体动力学或任何长期的、大规模的模拟,”梅塔说。

这项工作的一项应用是研究如何为高度接近100公里的细长车辆和小型卫星设计热保护系统。

“高超声速边界损伤表面拓扑的多尺度建模”作者是尼尔·a·梅塔和黛博拉·a·莱文。它发表在《化学物理杂志》上。

参考文献:“高超声速边界损伤表面拓扑的多尺度建模”作者Neil A. Mehta和Deborah A. Levin, 2019年9月30日,化学物理杂志。

DOI: 10.1063/1.5117834

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