Автореферат (Высокоточные методы экспериментального и математического моделирования процессов теплообмена в слоях высокопористых теплозащитных покрытий летательных аппаратов)

На правах рукописиМоржухина Алена ВячеславовнаВЫСОКОТОЧНЫЕ МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИМАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВТЕПЛООБМЕНА В СЛОЯХ ВЫСОКОПОРИСТЫХТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВСпециальности01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника05.07.03 - Прочность и тепловые режимы летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2014Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)» (МАИ).Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,член-корреспондент РАНАлифанов Олег МихайловичНаучный консультант:доктор технических наук, доцентЧерепанов Валерий ВениаминовичОфициальные оппоненты:Елисеев Виктор Николаевичдоктортехническихнаук,профессор,Московский государственный техническийуниверситет им.

Н.Э. Баумана, профессоркафедры «Космические аппараты и ракетыносители»»Юдин Валерий Михайловичкандидат технических наук, ГНЦ ФГУП«ЦентральныйаэрогидродинамическийинститутименипрофессораН.Е.Жуковского», ведущий научный сотрудникНИО-3Ведущая организация:Государственный научный центр РФ ОАО«ОНПП «Технология»Защита состоится «22» декабря 2014г.в 15:00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)(МАИ), по адресу: 125993 Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамске шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)(МАИ) http://www.mai.ru/events/defence/.Автореферат разослан «___»__________ 2014 г.Ученый секретарьдиссертационного совета  Зуев Юрий Владимирович2  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыОбеспечение надежной защиты элементов конструкций летательныхаппаратов (ЛА) от нагрева во время полета в атмосфере со скоростями,значительно превышающими скорость звука, была и остается одной изнаиболее важных задач при проектировании изделий ракетно-космическойтехники.

Одним из возможных путей решения общей задачи улучшенияэнергомассовых характеристик космических летательных аппаратов можетявляться создание тепловой защиты с использованием инновационныхматериалов с высокими удельными массовыми, прочностнымиитеплозащитными характеристиками. Проблемы разработки, создания иприменения новых материалов являются актуальными и нуждаются впроведении дополнительных исследований.Ключевымифакторами,определяющимиспользованиеужесуществующих и внедрение новых теплозащитных материалов, являютсядостоверные данные о теплофизических характеристиках (ТФХ) такихматериалов, которые, в основном, получают экспериментальным путем.Результаты экспериментальных исследований вследствие неточностей,имеющих место во время самого эксперимента, могут приводить кдостаточно большим различиям между истинными характеристикамиматериала и экспериментально вычисленными.

Проблему достоверногоопределения ТФХ усложняет то обстоятельство, что для большойноменклатуры теплоизоляционных и теплозащитных материалов данные поключевым исходным позициям могут существенно отличаться у различныхпроизводителей и разработчиков. Неточности в исходных теплофизическихданных при проектировании теплозащитных систем ЛА приходитсяучитывать введением соответствующих проектных запасов, в частности, потолщинам слоев теплозащитных пакетов, которые тем больше увеличиваютсуммарную массу теплозащиты, чем выше погрешности в определениитеплофизических характеристик материалов слоев.

Все это делает задачурациональноготехническогопланированияэкспериментальныхисследований, корректного определения ТФХ и уточнения существующихданных для определенных классов материалов актуальной и требующейрешенияДанные о тепловом состоянии исследуемых образцов материала частополучают за счет использования термопарных датчиков. Практическаянеобходимость в обеспечении контроля точности термопарных измерений навсех этапах экспериментальных исследований подразумевает определениеосновных механизмов формирования их погрешности, созданиеметодических рекомендаций по прогнозированию ошибок температурныхизмерений с привлечением как уже существующих методик (работыЕлисеева В.Н., Товстонога В.А., Соловова В.А., Резника С.В.), так и новыхкомплексных подходов к созданию системы теплофизической метрологии,основанной на экспериментальных тепловых исследованиях, методах  3  обратных задач идентификации и применении статистического подхода кпостроению расширенных математических моделейисследуемыхматериалов (работы Алифанова О.М., Божкова Н.А., Черепанова В.В.).Одновременное использование результатов численного моделирования ивыходных данных экспериментального исследования материалов позволяетоценивать точность проведенных прикладных исследований и уточнятьданные тепловых испытаний для их последующей обработки.Вышеизложенное делает задачу прогнозирования и верификацииданных экспериментальных исследований теплозащитных материаловактуальной.

Вопросы, связанные, с разработкой высокоточных методовматематического и экспериментального исследования свойств остаютсянаиболее неизученными в высоко – и ультрапористых материалах инуждаются в более детальном рассмотрении.Цель работыДанная работа посвящена созданию методики по обработкерезультатов термопарных измерений в высоко - и ультрапористыхтеплозащитных материалах в условиях их нестационарного нагрева. В нейрассматриваются вопросы построения методов обнаружения методическихпогрешностей термопар и обобщению методов интерпретации их показанийдля последующего исследования указанных классов теплозащитныхматериалов.Задачи работы1.Анализ текущего состояния проблем определения погрешностейтемпературных измерений в образцах жаропрочных конструкционныхматериалов.2.Разработка высокоточных математических методов и созданиекорректной математической модели определения температурного полявнутри образца полупрозрачного материала, используемого в качестветеплозащитного покрытия летательного аппарата, испытывающегорадиационный и кондуктивный нестационарный нагрев.3.Применение разработанной математической модели припланировании экспериментального исследования, определения основныхмеханизмов формирования величины погрешности при термопарныхизмерениях, и для контроля точности и корректировки данных тепловыхиспытаний.4.Оценка влияния выбранных режимов нагрева на погрешностиизмерения термопар, установленных в образцах исследуемых материалов.5.Проведение сравнительного анализа результатов данныхтепловых испытаний для различных режимов нагрева и с использованиемтермопар разных размеров, создание рекомендации по местам их установки.Методы исследованияОсновные данные работы получены по результатам экспериментальнотеоретического исследования, проведенного по оригинальной методике наспециальном тепловакуумном стенде.

В основу разработанного  4  программного инструмента положен оригинальный высокоточный сеточныйчисленныйметодрешениянестационарнойнелинейнойзадачикомбинированного радиационно-кондуктивного теплообмена в пластиневысокопористоготеплозащитногоматериала,подвергаемогонестационарному тепловому нагреву, апробированный метод решениякинетического уравнения переноса излучения в плоском слое,учетоптических и радиационных характеристик исследуемого материала.Научная новизна1.Разработаны и исследованы численные методы, созданнеобходимый программный инструмент, позволяющий точно моделироватьпроцесс комбинированного теплообмена в экспериментальных образцах,определять их тепловое состояние при нестационарном внешнем тепловомвоздействии.2.При проведении экспериментальных исследований тепловогосостояния исследуемого высокопористого материала разработаны новыеконструкционно-технологические решения экспериментального модуля.Осуществлялся непрерывный контроль точности измерения в ходе всеготеплофизического эксперимента.3.Определены основные факторы, влияющие на погрешностьпоказания термопар, установлена величина погрешности в широкомдиапазоне изменения температуры образца.Теоретическая и практическая ценность работыПолученные результаты могут быть использованы при подготовке ипроведении теплотехнических испытаний образцов высокопористыхтеплозащитных материалов, для уточнения ТФХ характеристикопределенногоклассаматериалов,припроектированиивысокотемпературных тепловых покрытий ЛА.

Данная работа можетпослужить основой для дальнейшего анализа и учета погрешностейтемпературных измерений, которые, как показано в работе, влияют наточность прикладных теплофизических исследований высокопористыхтеплозащитных и теплоизоляционных материалов.Достоверностьиобоснованностьработыподтверждаетсярезультатами сравнительного анализа с существующими решениямиотдельных задач подобного типа. Результаты численного моделирования иэкспериментальных тепловых исследований подтверждают корректность иточность разработанной методологии.Апробация работы и публикацииОсновные научные результаты работы докладывались на научнотехнических конференциях. В частности, на международной конференции«Eurotherm Conference №.95: Computational Thermal Radiation in ParticipatingMedia IV» (Нанси, Франция, 18-20 апреля 2012г.), на XIV Минскоммеждународном форуме по тепло- и массообмену (Минск, Белоруссия, 10-13сентября 2012г.), на конференции «Инновации в авиации и космонавтике»(Москва, Россия, 16-18 апреля 2013г.), на конференции «Проблемы  5  газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (ОреховоЗуево, Россия, 19-23 мая 2013г.), на международной конференции 3аяГерманско-Российская конференция молодых ученых «Авиация икосмонавтика» (Third German - Russian week of the young researcher “Aviationand Space”, Новосибирск, Россия, 21-27 сентября 2013г.).Основные результаты диссертационной работы опубликованы в ряденаучно-технических отчетов, 6 публикациях в научных изданиях, из них 2научные работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАКпри Министерстве образования и науки РФ.

Имеются 3 работы принятые кпубликации в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК при Министерствеобразования и науки РФ.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения исписка литературы; содержит 118 страниц основного текста, 64 рисунка, 9таблиц, список литературы из 64 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьдиссертационногоисследования, поставлены задачи и цель работы.