袁经超， 朱子镝， 张方舟， 张 丹， 张伟刚， 李爱军

(1. 上海大学 材料科学与工程学院，上海 200072；2. 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072； 3. 中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室, 北京 100190)

1 前言

炭纤维增强碳基体(C/C)复合材料的超高温烧蚀机理受到化学动力学和对流-扩散机制的双重控制，在烧蚀过程中会依次出现氧化和升华[1-4]。但碳基复合材料的纤维相和基体相具有不同的抗氧化与升华能力，因此在高温环境下材料的表面会产生不均匀的退让，引起表面粗糙度的变化。进一步，在热气流的冲击下，露在外面的纤维受剪切力和旋涡阻力的作用会产生剥落，造成不可预期的表层型面变化。降低了结构的稳定性和可靠性，增加了结构失效的风险[5,6]。为了对机械剥蚀更好地进行预测，细观尺度上化学烧蚀形貌演化过程的建模和计算尤为重要。

碳基复合材料烧蚀过程的实质是一个多相界面的演变过程，影响因素众多。当前已进行了大量的实验研究，如电弧喷射试验[7]、热重法[8,9]和氧乙炔烧蚀试验[10-12]等。不少研究者在试验观察碳基复合材料的烧蚀形貌的基础上，采用了不同尺度的计算方法，如有限元[13]、VOF[14-16]和Level-Set[17,18]方法对烧蚀过程中界面的演变进行了数值模拟，为理解碳基复合材料的烧蚀行为提供了有效的途径。其中，Vignoles等[19]提出的基于布朗运动的随机行走模型，成功预测了碳基复合材料单胞烧蚀的形貌变化。在这个模型中，假设气相组分在气固界面处被迅速消耗，浓度呈线性变化；……