Автореферат (Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах)

На правах рукописиСереда Геннадий НиколаевичФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕТЕПЛООБМЕНА В КЕРАМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХМАТЕРИАЛАХСпециальность 01.04. 14 –Теплофизика и теоретическая теплотехникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукОбнинск – 20152Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Обнинскоенаучно-производственное предприятие «Технология»Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Резник Сергей ВасильевичОфициальные оппоненты:Петров Вадим Александрович–доктортехнических наук, профессор, МГТУ–МИРЭА, профессорЗуев Андрей Владимирович – кандидаттехнических наук, ФГУП ГНЦ «ВИАМ»,заведующий лабораториейВедущая организацияОАО «Композит»,г.Королѐв, Московская обл.Защита состоится 18 мая 2015 г.

в 15 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08,созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета)(МАИ), по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательскогоуниверситета) http://www.mai.ru/events/defenсe/.Автореферат разослан «_____» _____________201__г.Ученый секретарь диссертационного совета Д212.125.08д.т.н., профессорЗуев Юрий Владимирович3Общая характеристика работыАктуальность. В современных изделиях различного назначения, в томчисле ракетного и авиационного, широко применяют керамическиематериалы.Применительноэлементыобеспечиваюткантеннымоборудованиюобтекателямкерамическиенеобходимыетепловую,прочностную защиту и работоспособность в требуемом радиодиапазоне.Увеличение скорости полета ракет в атмосфере приводит к возрастаниюнагрузок на обтекатель, повышению температуры его поверхности до 15002000К, интенсификации теплообмена в нѐм и снижению его теплозащитныхи прочностных показателей.

Для обеспечения безопасной эксплуатациибортового оборудования в этих условиях материаловеды вынужденызаниматься разработкой новых керамических материалов, а конструкторы учитывать температурные зависимости характеристик конструкционныхматериаловвновомдиапазонеэксплуатационныхтемператур.Прогнозирование теплообмена в конструктивных элементах невозможнобез знания их теплофизических характеристик (ТФХ). Вместе с тем,справочные данные по ТФХ керамических материалов известны, какправило, до 1100 К, а данные по ТФХ ряда перспективных материалов,например стеклокерамики и нитридной керамики, отсутствуют.Определение ТФХ, являющихся параметрами контроля продукции,должно обладать достаточно высокой производительностью и точностьюОдна из важнейших характеристик в оценке теплового режимаконструкции - коэффициент теплопроводности материала, рассчитываемыйпо результатам косвенных измерений.

В теоретическом плане егоопределение опирается на аппарат обратных задач математической физики.Традиционные методы определения этой характеристики и ихматематико-алгоритмическое обеспечение основаны на стационарных илирегулярных режимах одномерного теплопереноса в единичном образцеисследуемого материала, а экспериментальные установки имеют достаточносложные конструкции особенно, когда это касается исследований при4высоких температурах.

Продолжительность испытаний образца достигаетдесятков часов, что может привести к изменению структуры керамики иТФХ. Измерения высоких температур заставляют применять дорогиеплатиносодержащие термопары. Экспериментальные образцы нужныхразмеровнеобходимоизготавливатьизобразцов-свидетелей,характеристики которых могут отличаться от характеристик материалаизделия.Всѐвышеперечисленноеделаеттрадиционныеметодыопределения коэффициента теплопроводности керамики при высокихтемпературах излишне трудоемкими и недостаточно информативными.В последнее время получили развитие методы определения ТФХ принестационарном теплообмене в экспериментальном образце, основанные нарешении нелинейных коэффициентных обратных задач теплопроводности(КОЗТ).

Они имеют существенные преимущества по сравнению страдиционнымиметодами,ноприменениесоответствующихвычислительных программ вызывают затруднения у пользователей в связи снедостаточным вниманием разработчиков к прикладной стороне этихметодов. Эффективным инструментом в реализации преимуществ новыхметодов являются математические методы оптимизации теплофизическогоэксперимента. Его моделирование пока недостаточно проработано в выборережимовиспытаний,формыиразмеровобразцов,характеристикиспытательного оборудования и планировании измерений, недостаточенуровень метрологического обеспечения.

Отдельные виды моделированияприменяются разобщѐнно, а не как взаимосвязанные части единойметодологии.Актуально решение проблемы реализации новых методов и средствопределениятеплофизическихсвойствматериаловкерамическихобтекателей, одновременно обладающих высокой производительностью иточностью, соответствующих возможностям современной техники.Вопросы, рассмотренные в диссертации, были включены в тематическиепланы НИР, проведенных в ОНПП «Технология» в 2000 – 2013 гг.5совместно с МГТУ им.

Н.Э.Баумана при поддержке Росавиакосмоса иМинобразования РФ, что нашло отражение в научно-технических отчетахпо этим темам.Личный вклад автора состоит в формулировке основных подходов впостановке экспериментальных исследований ТФХ, разработке методовмоделирования, анализе и обобщении полученных результатов, схемныхрешений по автоматизированному стенду теплофизических исследований.Все основные результаты и выводы получены лично автором.Апробация результатов работы. Основные положения и выводыдиссертационной работы докладывались автором на международных иВсероссийских научных конференциях.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научныхработ в виде статей в научно-технических журналах, 3 из списка ВАК, итезисов докладов в сборниках конференций за период 2004 - 2014 гг.Объектом исследования являются коэффициент теплопроводности,характеристика теплообменного процесса в материале, определяемая вусловияходностороннегонагреваобразца,исоответствующееэкспериментальное оборудование.Предмет исследования – керамические материалы на основе диоксидакремния и нитрида кремния.Цельработы:Определениекоэффициентовтеплопроводностиконструкционной керамики в области температур 300-1673 К и темповнагрева до 5 град/с на основе комплексного - математического ифизического моделирования тепловых процессов в экспериментальныхобразцах материалов и измерительных узлах стенда теплофизическихисследований с установкой радиационного нагрева.Задачи исследования:Оптимизация эксперимента на основе моделирования теплообмена вкерамических материалах при одностороннем радиационном нагревеобразцов до температуры 1673 К.6Разработка физических и математических моделей прогнозированиятеплообмена для выбора режимов нагрева, формы и размеров образцов,параметровэкспериментальнойустановки,оценкипогрешностейэксперимента.Разработка автоматизированного стенда теплофизических исследованийкерамических материалов с установкой радиационного нагрева образцов вобласти измерения температуры 300-1673 К и темпов нагрева до 50 град/с.Разработкаметодикиопределенияэффективногокоэффициентатеплопроводности, получение новых расчетно-экспериментальных данныхо теплопроводности исследуемых материалов, оценка погрешностей ихопределения и анализ закономерностей теплообмена в керамическихматериалах по результатам проведѐнных экспериментов.Научный базис для решения проблемы.

Выбор и разработка методовдостижения поставленной цели осуществлены автором с учетом основныхдостижений в области теплофизических исследований ОИВТ РАН, ВИАМ,ИТМО им. А.В. Лыкова, ИТФ СО РАН им. С.С. Кутателадзе, МАИ, МГТУим.Н.Э. Баумана,МГУим.М.В. Ломоносова,МЭИ,ЦАГИим.Н.Е. Жуковского и других организаций.Методы исследований. Представленная работа основывается наиспользованиииразвитииметодовоптимизациитеплофизическогоэксперимента.Научная новизна представленной работы.1. Впервые при исследовании теплопроводности керамическихматериалов научно обоснован подход к оптимизации теплофизическогоэксперимента с применением критерия оценки минимизации затрат.2. Разработана математическая модель сопряжѐнного радиационнокондуктивноготеплообменавэлементахконструкциистендарадиационного нагрева, позволившая выбрать форму и размеры образцовисследуемых материалов, режимы их испытаний, а также оптимизироватьмощность электрических нагревателей.73.Предложенатеплопроводностиметодикаматериаласрасчѐтапогрешностииспользованиемопределениятеориистатистико-вероятностных критериев оценки.4.

Разработанаметодикаопределениякоэффициентовтеплопроводности новой термостойкой керамики на основе диоксидакремния и нитрида кремния при температурах до 1673 К. Полученырасчетно-экспериментальные данные с методическойпогрешностью, непревышающей 7%.Практическаязначимостьработывыражаетсявследующихрезультатах:1. Созданавтоматизированныйстендвысокопроизводительныхтеплофизических исследований керамических материалов с одностороннимрадиационным нагревом образцов в диапазоне изменения температур 3001673 К и темпов нагрева до 50 град/с, удовлетворяющийусловиямэкспериментов с сохранением паспортной (исходной) структуры и свойствисследуемых материалов.2.

Полученырасчетно-экспериментальныеданныепотеплопроводности новой перспективной керамики на основе диоксидакремния и нитрида кремния марок НИАСИТ-8ПП, ОТМ-357, ОТМ-904 вдиапазоне измерения температур 300-1673 К и темпа нагрева 5 град/с,которые нашли применение в теплопрочностных расчѐтах элементовконструкций авиационной и ракетно-космической техники.3. Разработанные и апробированные математические модели, методыи средства исследований используются для определения коэффициентовтеплопроводностикерамическихматериаловантенныхобтекателей,создаваемых в ОАО «ОНПП Технология».4.

Проведенные в данной работе исследования и разработанное на ихоснове оборудование методы и средства позволили повысить температуруопределениякоэффициентатеплопроводностиперспективныхкерамических материалов с 1100 до 1673 К и более чем на два прядка8величины сократили время проведения эксперимента, в двадцать пять разуменьшили расход электроэнергии, потребляемой в эксперименте.Внедрение. Разработанныепрограммы,методика,испытательноеоборудование и результаты математического, физического моделированияиспользуются для определения коэффициентов теплопроводности опытныхкерамических материалов для антенных обтекателей в ОАО «ОНППТехнология».Достоверность результатов проведенных на моделях и образцахкерамических материалов, подтверждается:- высоким уровнем метрологического обеспечения на стенде сиспользованиемавтоматизированныхсистемссовременнымматематическим программным обеспечением;- сопоставлением для одних и тех же материалов результатовспециальных тестовых численных и физических экспериментов даннойработы с экспериментальными данными, полученных традиционнымиметодами.Основные положения, выносимые на защиту:1.Методологияорганизациитеплофизическогоэкспериментаприопределении коэффициентов теплопроводности керамических материалов.2.

Алгоритмы и программные продукты решения прямых тепловых итеплопрочностных задач, обеспечивающие моделирование и оптимизациюрежима испытаний, с учетом технических возможностей испытательногооборудования и предполагаемых свойств, размеров и формы образцовисследуемого материала.3.Результаты оценки области корректного применения решений одномернойкоэффициентной обратной задачи теплопроводности по режимам нагрева,тепловым потокам и габаритным размерам применяемых образцов изоксидной и нитридной керамик.4.Модели и алгоритмы определения погрешностей контактных датчиков ипланирования измерений, обеспечивающие достижение высокой точностиидентификации параметров теплопереноса целенаправленным выбором9количества и мест установки датчиков и коррекцией экспериментальныхтермограмм.5.Техническиерешенияпоконструкцииэкспериментальногооборудования, системам управления режимами испытаний, измерения,сбораиподготовкиданныхэкспериментадляопределениятеплопроводности образцов натурных конструкций при температурах до1673K, темпах нагрева до 50 K/c.6.