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

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)Моржухина Алена ВячеславовнаВЫСОКОТОЧНЫЕ МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИМАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВТЕПЛООБМЕНА В СЛОЯХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХПОКРЫТИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВСпециальности01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника05.07.03 - Прочность и тепловые режимы летательных аппаратовДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель: член-корреспондент РАН, д.т.н.,профессор Алифанов Олег МихайловичНаучный консультант: д.т.н., доцентЧерепанов Валерий ВениаминовичМосква – 20142СОДЕРЖАНИЕВведение…………………………………………………………………..............4Глава 1.

Проблема точности при идентификации и исследованиифизическихсвойствтеплозащитныхматериаловипокрытий.Аналитический обзор…………………………………………………………...1.1. Системытепловойзащитыкосмических11летательныхаппаратов. Вопросы проектирования и материалы…………………………….111.2. Основные причины возникновения погрешностей термопарныхизмерений в телах непрозрачных для лучистого нагрева……………………..1.3. Определениетемпературногополяв14полупрозрачныхматериалах………………………………………………………………………..201.4. Задачи исследования………………………………………………..23Выводы по главе 1………………………………………………………..25Глава 2.

Физическое моделирование процессов теплообмена в слояхтепловой защиты космических летательных аппаратов………………….262.1 Выбор материала……………………………………………………262.2 Геометрические размеры и форма экспериментального образца..33Выводы по главе 2……………………………………………………….37Глава 3. Метод математического моделирования комбинированноготеплообмена в образцах………………………………………………………..383.1. Основные уравнения задачи о комбинированном радиационнокондуктивном теплообмене в плоской пластине………………………………383.2 Описание радиационного теплопереноса в плоском слоечастично прозрачного материала……………………………………………….393.3.

Численный метод решения задачи радиационно-кондуктивноготеплообмена………………………………………………………………………423.4. Проверка численного метода на точных аналитическихрешениях…………………………………………………………………………..443.5. Численный метод решения кинетической задачи переносаизлучения………………………………………………………………………….463Двухшаговая схема «предиктор-корректор»……………….503.5.1.1. Анализ работы «предиктора»………………………......503.5.1.2 Анализ работы «корректора»…………………………...533.5.2 Трехшаговое расщепление «по физическим процессам»……54Выводы по главе 3………………………………………………………..58Глава 4. Результаты экспериментального исследования………………….593.5.14.1. Подготовка тепловых испытаний. Цели и задачи……………….594.2.

Методика проведения тепловых испытаний. Предварительныеиспытания…………………………………………………………………………674.3. Тепловые испытания………………………………………………..724.4. Анализ результатов тепловых испытаний……………...................88Выводы по главе 4………………………………………………………..94Глава5.Интерпретациярезультатовмоделированияиэкспериментальных данных ………………………………………………….955.1. Результаты математического моделирования……………………..955.2.Сравнительныйанализрезультатовтеоретическогоиматематического исследования………………………………………………….985.3.

Обоснование математической модели……………………………..102Выводы по главе 5…………………………………………………..........109Заключение………………………………………………………………………110Список литературы……………………………………………………………..1124ВведениеАктуальность работыОбеспечение надежной защиты элементов конструкций летательныхаппаратов (ЛА) от нагрева во время полета в атмосфере со скоростями,значительно превышающими скорость звука, была и остается одной из наиболееважных задач при проектировании изделий ракетно-космической техники. Однимиз возможных путей решения общей задачи улучшения энергомассовыххарактеристик космических летательных аппаратов может являться созданиетепловой защиты с использованием инновационных материалов с высокимиудельными массовыми, прочностнымии теплозащитными характеристиками.Проблемы разработки, создания и применения новых материалов являютсяактуальными и нуждаются в проведении дополнительных исследований.Ключевыми факторами, определяющим использование уже существующихи внедрение новых теплозащитных материалов, являются достоверные данные отеплофизических характеристиках (ТФХ) таких материалов, которые, в основном,получаютэкспериментальнымпутем.Результатыэкспериментальныхисследований вследствие неточностей, имеющих место во время самогоэксперимента, могут приводить к достаточно большим различиям междуистинными характеристиками материала и экспериментально вычисленными.Проблему достоверного определения ТФХ усложняет то обстоятельство, что длябольшой номенклатуры теплоизоляционных и теплозащитных материаловданные по ключевым исходным позициям могут существенно отличаться уразличных производителей и разработчиков.Неточности в исходных теплофизических данных при проектированиитеплозащитных систем ЛА приходится учитывать введением соответствующихпроектных запасов, в частности, по толщинам слоев теплозащитных пакетов,которые тем больше увеличивают суммарную массу теплозащиты, чем выше5погрешности в определении теплофизических характеристик материалов слоев.Всеэтоделаетзадачурациональноготехническогопланированияэкспериментальных исследований, корректного определения ТФХ и уточнениясуществующих данных для определенных классов материалов актуальной итребующей решенияДанные о тепловом состоянии исследуемых образцов материала частополучаютзасчетиспользованиятермопарныхдатчиков.Практическаянеобходимость в обеспечении контроля точности термопарных измерений на всехэтапах экспериментальных исследований подразумевает определение основныхмеханизмовформированияихпогрешности,созданиеметодическихрекомендаций по прогнозированию ошибок температурных измерений спривлечением как уже существующих методик (работы Елисеева В.Н.,Товстонога В.А., Соловова В.А., Резника С.В.), так и новых комплексныхподходов к созданию системы теплофизической метрологии, основанной наэкспериментальныхтепловыхидентификацииприменениииисследованиях,методахстатистическогорасширенных математических моделейобратныхподходакзадачпостроениюисследуемых материалов (работыАлифанова О.М., Божкова Н.А., Черепанова В.В.).

Одновременное использованиерезультатов численного моделирования и выходных данных экспериментальногоисследованияматериаловпозволяетоцениватьточностьпроведенныхприкладных исследований и уточнять данные тепловых испытаний для ихпоследующей обработки.Вышеизложенное делает задачу прогнозирования и верификации данныхэкспериментальныхисследованийтеплозащитныхматериаловактуальной.Вопросы, связанные, с разработкой высокоточных методов математического иэкспериментального исследования свойств остаются наиболее неизученными ввысоко – и ультрапористых материалах и нуждаются в более детальномрассмотрении.6Цель работыДанная работа посвящена созданию методики по обработке результатовтермопарных измерений в высоко - и ультрапористых теплозащитных материалахв условиях их нестационарного нагрева.

В ней рассматриваются вопросыпостроения методов обнаружения методических погрешностей термопар иобобщениюметодовинтерпретацииихпоказанийдляпоследующегоисследования указанных классов теплозащитных материалов.Задачи работы:1.Анализ текущего состояния проблем определения погрешностейтемпературныхизмеренийвобразцахжаропрочныхконструкционныхматериалов.2.Разработка высокоточных математических методов и созданиекорректной математической модели определения температурного поля внутриобразца полупрозрачного материала, используемого в качестве теплозащитногопокрытия летательного аппарата, испытывающего радиационный и кондуктивныйнестационарный нагрев.3.Применениепланированииразработаннойэкспериментальногоматематическойисследования,моделиопределенияприосновныхмеханизмов формирования величины погрешности при термопарных измерениях,и для контроля точности и корректировки данных тепловых испытаний.4.Оценка влияния выбранных режимов нагрева на погрешностиизмерения термопар, установленных в образцах исследуемых материалов.5.Проведение сравнительного анализа результатов данных тепловыхиспытаний для различных режимов нагрева и с использованием термопар разныхразмеров, 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 программного7инструмента положен оригинальный высокоточный сеточный численный методрешения нестационарной нелинейной задачи комбинированного радиационнокондуктивного теплообмена в пластине высокопористого теплозащитногоматериала, подвергаемого нестационарному тепловому нагреву, апробированныйметод решения кинетического уравнения переноса излучения в плоском слое,учет оптических и радиационных характеристик исследуемого материала.Научная новизнаРазработаны и исследованы численные методы, создан необходимый1.программныйинструмент,позволяющийточномоделироватьпроцесскомбинированного теплообмена в экспериментальных образцах, определять ихтепловое состояние при нестационарном внешнем тепловом воздействии.При2.состоянияпроведенииисследуемогоэкспериментальныхвысокопористогоконструкционно-технологическиеисследованийматериаларешениятепловогоразработаныэкспериментальногоновыемодуля.Осуществлялся непрерывный контроль точности измерения в ходе всеготеплофизического эксперимента.Определены основные факторы, влияющие на погрешность показания3.термопар, установлена величина погрешности в широком диапазоне изменениятемпературы образца.Теоретическая и практическая ценность работыПолученные результаты могут быть использованы при подготовке ипроведениитеплотехническихиспытанийобразцоввысокопористыхтеплозащитных материалов, для уточнения ТФХ характеристик определенногоклассаматериалов,припроектированиивысокотемпературныхтепловыхпокрытий ЛА.

Данная работа может послужить основой для дальнейшего анализаи учета погрешностей температурных измерений, которые, как показано в работе,влияют на точность прикладных теплофизических исследований высокопористыхтеплозащитных и теплоизоляционных материалов.8Достоверность и обоснованность работы подтверждается результатамисравнительногоанализассуществующимирешениямиотдельныхзадачподобного типа. Результаты численного моделирования и экспериментальныхтепловых исследований подтверждают точность и корректность разработаннойметодологии.Апробация работыОсновныенаучныерезультатыработыдокладывалисьнанаучно-технических 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 газодинамикии тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, Россия, 19-23мая 2013г.), на международнойконференции 3ая Германско-Российскаяконференция молодых ученых «Авиация и космонавтика» (Third German - Russianweek of the young researcher “Aviation and Space”, Новосибирск, Россия, 21-27сентября 2013г.).ПубликацииОсновные результаты диссертационной работы опубликованы в ряденаучно-технических отчетов, 6 публикациях в научных изданиях, из них 2научные работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК приМинистерстве 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.9Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования,поставлены задачи и цель работы.