Автореферат (Взаимодействие высокоскоростного гетерогенного потока с элементами конструкции ЛА), страница 3

Визуализация результатов численного моделированияИз представленных результатов видно, что число Маха изменяется поповерхности сферы от М=0 (в передней критической точке - ПКТ) до М=1(звуковая линия – α=45°) (рисунок 4а). Параметры торможения в ПКТ (рисунок154б и 4в): давление торможения – Р0 =2,645∙105 Па, температура торможения –Т0=1781 К.На базе разработанной расчётной схемы проведена сериявычислительных экспериментов. Для оценки влияния размеров «К-фазы» нафизическую картину протекания исследуемого процесса численноемоделирование проводилось для разной дисперсности частиц: первая группа –частицы дисперсностью dр = 1÷10 мкм; вторая группа – частицы дисперсностьюdр = 11 ÷ 20 мкм; третья группа – частицы дисперсностью dр = 21 ÷ 30 мкм.Примеры результатов численных экспериментов представлены нарисунках 5 а), б), в), г).М=1α=45°а) Траектории течения частицвблизи КЛА (заливка цветом позначениям температуры частиц)б) Траектория частицы d = 15,8 мкм(заливка цветом по значениюскорости частицы)в) Скорость газовой и твердой фазыг) Температура газовой и твердой(частица d = 15,8 мкм)фазы (частица d = 15,8 мкм)Рис.

5. Результаты численного эксперимента для размеров частиц d = 11-20 мкмАнализ полученных данных показал, что:­при обтекании гетерогенным гиперзвуковым потоком затупленноготела перед КЛА, как и в случае адекватного обтекания гомогеннымгиперзвуковым потоком, образуется отошедшая ударная волна и сжатый слой;16­параметры твёрдой фазы изменяются аналогично параметрамнесущей фазы, но в силу инерционности «K-фазы», проходя ударную волну,они не изменяются скачкообразно;­скорость изменения параметров «K-фазы» прямо пропорциональнадиаметру частицы.Кроме того, выявлена некоторая особенность программного комплексаANSYS CFX, выражающаяся в следующем. Для переменных, обозначающихпараметры «K-фазы», в программном комплексе Ansys CFX нет значений вформате «Hybrid», а есть только в формате «Conservative», поэтому награфических иллюстрациях в моменты времени, соответствующие соударениючастицы и поверхности КЛА, скорость «К-фазы» не равна нулю.В четвертой главе проведён анализ физической модели процессоввзаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с поверхностьюпреграды.В рамках данного анализа рассмотрено уравнение баланса энергии вмомент удара частицы о твёрдую поверхность в виде:Екин.р=Едеф.р+Едеф.пр+Енаг.р+Енаг.пр+ Еэр.пр ,(14)где Екин.р – кинетическая энергия частицы, Едеф.р и Едеф.пр – энергии деформациичастицы и преграды, Енаг.р и Енаг.пр – энергия нагрева частицы и преграды, Еэр.пр –энергия, затраченная на механическую эрозию преграды.Проанализирована каждая составляющая выражения (14).

В результатеполучен следующий вид уравнения баланса энергии в момент удара частицы опреграду:mр V 2 р2 Fp    (d p - bp )  2 h 2сег .  d р  H   m , р  c р T , р - Tнач. р  m ,пр  cпр T ,пр - Tнач.пр  Еэр .пр .(15)где mp – масса частицы, Vp – скорость частицы, Fp – изменение площадибоковой поверхности частицы за счет деформации,  Т – предел текучестиматериала частицы, b p – высота частицы после деформации, hсегм – глубинапроникновения частицы, dp – диаметр частицы, H  - твердость материалапреграды, mτ¸p, mτ¸пр – доли прогретых масс частицы и преграды за время удараτуд, T , р , T , пр – среднемассовые температуры прогретых участков частицы и17преграды, Tнач , р , Tнач , пр – температуры частицы и преграды до удара, сп, спр –удельные теплоемкости материала частицы и преграды при температурах T , ри T , пр , соответственно.Для определения величины энергии, затраченной на эрозию преграды(Еэр.пр), вводится понятие энтальпии эрозии (Iэр) материала преграды:I er  CP Tw,er - Tнач   Qф.п  Qer ,где CP(16)– средняя удельная теплоемкость материала преграды, Qф.п –удельная теплота фазовых переходов (Дж/кг), Qer – удельная энергия,затраченная на механическое разрушение материала преграды при ударе частицгетерогенного потока (Дж/кг).

В случае, когда при ударе частицы фазовыепереходы отсутствуют (∆Qф.п = 0), соотношение (16) упрощается.На данный момент для большинства материалов остаются неизвестнымизначения их энтальпий разрушения, поэтому не всегда есть возможностьиспользовать формулу (16). Изменение значений Ier для некоторыхконструкционных материалов представлено в последующих разделах даннойглавы.Для расчёта безразмерной скорости эрозионного уноса массы графита иуглерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) на основаниипроведенногоанализаэкспериментальныхданныхрекомендованоэмпирическое соотношение:cGk1Vp104aTw530bk21k1m pVp104aTw530sinbsind(17)dЗначения коэффициентов и степеней, используемые в данной формуледля расчёта величины эрозионного разрушения некоторых материалов,приведены в таблице 2.18Таблица 2.НаименованиематериалаГрафитУглерод-углеродЗначения коэффициентов и степеней вуравнении (16)k1k2аbсd28,002,000,201,2510,1 9,25*10-4 1,820,20,33 1,25В данной главе также проведен критический анализ механизма эрозиинагретых конструкционных материалов при взаимодействии с гетерогеннымпотоком.

На основе обобщения экспериментальных данных предложена общаясхема развития физического механизма эрозионного разрушения материалов.Данная схема базируется на зависимости интенсивности эрозионногоразрушения материалов mer от интенсивности воздействия на поверхностьобразца удельной массы падающих частиц mp (рисунок 7). Из представленныхна рисунке 7 данных следует, что общий механизм эрозионного разрушенияматериалов (металлов) можно разделить на 2 стадии. Для анализа каждой изстадий введём безразмерный параметр (критерий) в виде Gdmer / dm p .Качественная зависимость изменение безразмерной скорости эрозииматериала G от удельной массы частиц mp набегающего гетерогенного потокапредставлена на рисунке 8.Рисунок 7.

Общая схема развитияфизического механизма эрозионногоразрушения материалов, привоздействии частицами с постояннойскоростьюРисунок 8. Качественная зависимостьбезразмерной скорости Gэрозионного разрушения материаловот интенсивности воздействия наповерхность удельной массы частицmp набегающего гетерогенного потока19Из представленной схемы общего механизма эрозионного разрушенияматериалов (металлов), следует:­на первой стадии разрушения материалов безразмерная скоростьэрозионного разрушения Gнелинейно возрастает с увеличениеминтенсивности воздействия частиц гетерогенного потока mp, (кг/м2);­поэрозионного(Gзавершенииразрушения.dmer / dmpmer / mpпервойНастадииэтомразвиваетсярежимевтораяразрушенияGстадияconst ,const ), то есть наступает стационарная стадиямеханизма эрозионного разрушения материалов.В результате проведенных исследований для каждого родаконструкционных материалов установлены пороговые значения скоростичастиц и их температуры, при достижении которых реализуется резкоеувеличение интенсивности эрозионного разрушения материалов.

Для оценкипороговых значений скоростей частиц и их температуры поверхностирекомендованы соотношения в виде:Vcr0.2 I erпр,(18)pгде ρпр и ρp – плотности материалов преграды и частиц, соответственно;Tw* ≈ 0.5Tпл(19)где Tпл – температура плавления материала преграды.Погрешности определения скорости и температуры частиц сиспользованием соотношения (18) и (19) не превышают 10%.По результатам экспериментальных исследований рекомендованосоотношение для оценки безразмерной скорости эрозионного разрушенияматериалов в виде:GVp22/ 2 I er(20)где η — коэффициент, характеризующий долю кинетической энергии частицы,перешедшей в энергию разрушения материала преграды.Используя соотношение (20) и результаты экспериментальныхисследований, рассчитаны зависимости эффективной энтальпии эрозионного20разрушения некоторых теплозащитных материалов, как функции температурыповерхности.

Расчётные данные представлены на рисунке 9.Рис. 9. Влияние температуры на энтальпию эрозионного разрушения некоторыхтипов композиционных ТЗМ«К-фаза»: Al2O3, α=90˚, dp=50мкм, Vp=170м/сВ пятой главе предложен метод разделения тепловой Gгомог и эрозионнойGer составляющих термоэрозионного уноса G∑ конструкционных материаловпри воздействии высокоскоростными и высокотемпературными гетерогеннымипотоками. Метод строится на базе использования соотношения в виде:Ger = G∑ - Gгомог.(21)Кроме того, в данной главе в результате анализа экспериментальныхданных выявлены два класса конструкционных материалов (металлические икомпозиционные ТЗМ) с принципиально разными механизмами эрозионногоразрушенияпривзаимодействиисвысокоскоростнымиивысокотемпературными гетерогенными потоками.

При этом анализ строился напринципе сопоставления эрозионной стойкости и температуропроводностиматериалов. В результате установлено, что:­для материалов с высокими значениями температуропроводности иэрозионной стойкости (металлы и их сплавы) в механизме их разрушениявыполняется условие аддитивности тепловой и эрозионной составляющейтеплоэрозионного разрушения материалов;­для материалов с низкими значениями температуропроводности иэрозионной стойкости (композиционные теплозащитные материалы)21свойственна взаимозависимость тепловой и эрозионной составляющихмеханизма разрушения.В главе проведен анализ экспериментальных данных с целью выявлениявлияния массовой концентрации частиц в гетерогенном потоке на механизмтермоэрозионного разрушения стеклопластика, как широко используемоготеплозащитного материала.На рисунке 10 схематично в виде зависимости G∑=f(GP) представленоизображение процесса термоэрозионного разрушения стеклопластика сразделением на составляющие механизма его эрозионного разрушения.Рисунок 10.

Схема теплоэрозионного разрушения стеклопластика.А – область эрозионного механизма разрушения; B – область термоэрозионногомеханизма разрушения; I – область эрозионной составляющей; II – областьтепловой составляющей;1 – GT с учетом интенсификации конвективноготеплообмена; 2 – GT без учёта интенсификации конвективного теплообменаНа схеме показано, что на первой стадии механизма разрушениястеклопластика с увеличением массовой концентрации частиц в потоке вначалепревалирует термохимическое разрушение материала (участок II на схеме). Придальнейшем увеличении массовой концентрации частиц механизм разрушенияматериалов переходит в режим теплоэрозионного разрушения, а затем в режимтолько эрозионного разрушения (участок I на схеме).В работе также проведено исследование влияния величины удельногорасхода «К-фазы» в гетерогенном потоке на процесс перехода ламинарногопограничного слоя в турбулентный.

Установлено, что с увеличением массовойконцентрации частиц этот процесс интенсифицируется, поскольку движущиеся22в потоке газа-носителя частицы, образуют завихрения, что вызываеттурбулизацию потока.ЗАКЛЮЧЕНИЕПо результатам выполненных исследований можно сформулироватьследующие выводы:1.Проведен анализ использования гетерогенных потоков втранспортном и энергетическом машиностроении, установлены величиныосновных параметров применяемых гетерогенных потоков. Рассмотреныметоды и средства моделирования и диагностики при исследованиивзаимодействия гетерогенных потоков с преградой.2.Проанализирована газодинамика течения гетерогенных потоков.Показано, что при моделировании газодинамики течения гетерогенных потоковцелесообразноприменятьдопущениемоделивзаимопроникающихконтинуумов.