Автореферат (Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах), страница 3

рисунки 8,9).Приведѐнные на рисунке 9 изотермы имеют симметричные относительносистемы координат конфигурации, а градиент температур в зонерасположения термопар не превышает 7 K.Рисунок 8 – Схема зоны нагрева образца в системе координат18282Z,15281515211511141507715031511151511510071421X, мм281 – лампы блока нагревателей, находящихся в зоне образца;2 –термопары в образцеРисунок 9– Распределение изотерм на фронтальной поверхности образцаиз кварцевой керамики на 240 с режима нагреваВ рамках исследования рассмотрено влияние условий тепловогоконтакта между стержнями, составляющими образец, на однородностьтемпературного поля в нѐм. Показанные на рисунке 10 демонстрационныераспределениятемпературвкерамическихобразцахсоответствуютусловиям как плотного теплового контакта между элементами образца, таки наличия воздушного зазора между ними (индекс з).Выполненые расчѐты по оценке методических погрешностей показали,что они возросли до 3,8 % и 4,2% для обоих вариантов укладки прикоэффициенте теплоотдачи тыльной поверхности αt =20 Вт/(м2·град).Появление в теплопереносе боковой составляющей увеличивает этипогрешности до ɛм = 4,3 % и 4,9% соответственно.Аналогичные распределения температур в процессе нагрева происходят ив образцах из нитрида кремния и стеклокерамики.191550tau=240 cT, K1500у=0,1 ммуз=0,1 мму=0,7 ммуз=0,7 мму=1,7 ммуз=1,7 мму=6,3 мм1450140013501300x, мм1250071421Рисунок 10– Распределение температур в образце из кварцевой керамикина глубинах установки термопар на 240 с режима нагреваПрисутствие в реальном теплофизическом эксперименте боковоготеплопереноса подтверждают расчѐты средних значений коэффициентовтеплоотдачи тыльной и боковой поверхности образца, выполненные попоказаниям термопар (см.

рисунок 11).1, 2–коэффициенты теплоотдачи тыльной αb и боковой αx поверхностиобразца соответственноРисунок 11– Изменения αприв при испытанияхТермопары, устанавливаемые в образец, вносят погрешность визмерениятемпературиувеличиваютметодическуюпогрешностьопределения теплопроводности. На точность определения λ могут влиять каквзаимное расположение их в образце, так и условия теплового контактатермопар с материалом образца. Анализ результатов установки термопар впазы образца указывает на три варианта теплового контакта: полный контакттермопары с образцом, контакт с наличием воздушного бокового зазора не20превышающего еѐ диаметр, контакт с боковым зазором в виде щелипротяжѐнностью более 3 диаметров.Проведѐнные исследования показали, что для образца из кварцевойкерамики при вертикальном расположении термопар одна под другой ɛм непревышает 6 %, при их смещении одна от другой по горизонтали на 0,4 мм– 5 %, при смещении на 0,2 мм – 4 %.

Для стеклокерамики – 7 %, 6 %, 4%соответственно. Для керамики из нитрида кремния – 7 %, 4 %, 3 %.При воздушном боковом зазоре, превышающем 0,3 мм ɛм = 42 % длякварцевой керамики,ɛм = 48 % для стеклокерамики, ɛм=20,5 % для керамикииз нитрида кремния.В третьей главе описаны работы по созданию автоматизированногостенда теплофизического исследований. Приведены результаты тепловыхрасчѐтов элементов установки радиационного нагрева. Показаныраспределения температурных полей в рабочей зоне образца. Оцененызависимости погрешности системы управления стенда от способа заделкиуправляющейтермопарывобразце.Приведенытехническиехарактеристики, описано программное обеспечение стенда. Отмеченосовпадение предельных расчетных и экспериментальных показателеймощности для максимальной температуры и темпа нагрева образца.На рисунке12 приведена схема стенда теплофизических исследований,а на рисунке 13 показана горячая зона установки.УстановкаОбъектисследованияИИСБлокуправлениянагревомИнтерфейсЭВМРисунок 12– Структурная схема автоматизированного стенда21Рисунок 13– Рабочее пространство установки с однорядныминагревателями и подготовленный образец исследуемого материалаВ четвертой главе изложены методика подготовки и проведенияиспытаний для определения коэффициента теплопроводности керамическихматериалов в области температур от 300 до 1500 K при одностороннемрадиационном нагреве и результаты теплофизических исследованийконструкционных керамических материалов.Для кварцевой керамики режим испытаний достигал 1673К, для керамикииз нитрида кремния – 1573 К, а для стеклокерамики – 1473 К.Проведѐнные по результатам экспериментов расчѐты эффективныхкоэффициентов теплопроводности образцов исследуемых материаловпоказали, что для кварцевой керамики ɛλ= 10%, ɛм= 6%, ɛсл= 8%; длястеклокерамики ɛλ= 11%,ɛм= 7%, ɛсл=8,5%; для керамики из нитридакремния ɛλ=11 %, ɛм= 6 %, ɛсл=9,1 %.На рисунках 14 – 16 приведены результаты определения эффективныхкоэффициентов теплопроводности исследуемых материалов применяемымив практике теплофизических исследований керамических материаловметодами:1–лазернойвспышки;2–квазистационарный;3–одностороннего нагрева; 4 – импульсный.Они показали, что полученныерезультаты зависят от применяемого метода, модели расчѐта искомойхарактеристики, на правомерность применения которой могут влиятьструктурные особенности материала образца, включая его пористость и22оптические свойства.В целом их расхождение не превышает 11%.Рисунок 14– Температурные зависимости λ керамики из нитрида кремнияРисунок 15–Температурные зависимости λ стеклокерамикиРисунок 16 – Температурныезависимости λкварцевой керамикиВ заключении представлены, результаты проделанной работы.1.

Впервыематериаловприисследованииобоснованподходтеплопроводностикоптимизациикерамическихтеплофизическогоэксперимента по последовательно применяемым критериям на условияхминимизации затрат.2. Разработанкомплексматематическихмоделейтеплообменавкерамических конструкционных материалах, обеспечивший оптимизациютеплофизическогоэкспериментапоформеиразмерамобразцовисследуемых материалов, режимам их испытаний, конструкции установки23радиационного нагрева.3. Предложенрасчѐтпогрешностиопределениятеплопроводностиматериала по статистико-вероятностным критериям оценки.4.

Разработана методика определения теплопроводности керамическихматериалов при температурах от нормальной до 1500 К и темпе нагрева5К/с,полученыновыерасчетно-экспериментальныеданныеокоэффициентах теплопроводности керамики на основе диоксида кремния инитридакремниямарокНИАСИТ-8ПП,ОТМ-357,ОТМ-904,спогрешностью, не превышающей 7%.5. Создан автоматизированный стенд теплофизических исследованийкерамических материалов с установкой одностороннего радиационногонагрева образцов в области температур 300-1673 К и темпом нагрева до50град/с,удовлетворяющийусловиямвысокопроизводительныхэкспериментов с сохранением представительных свойств исследуемыхматериалов.6.

Вся совокупность новых инструментов исследования, включаяматематические модели, алгоритмы, методику, автоматизированный стенд идругое испытательное оборудование, используются при определениикоэффициентов теплопроводности опытных керамических материалов дляантенных обтекателей в ОАО «ОНПП Технология». В итоге удалосьпередвинуть верхнюю границу температурного диапазона определениякоэффициента теплопроводности керамических материалов с 1100 до1673К, более чем в 100 раз сократить время проведения эксперимента, в 25раз уменьшить расход электроэнергии, потребляемой нагревателями.Публикации в журналах из списка ВАК:1.Aнучин,С.А.Методикавысокотемпературныхисследованийтеплофизических свойств керамических материалов аэрокосмическогоназначения / С.А.

Aнучин, Г.Н. Середа, П.А. Степанов. // Огнеупоры итехническая керамика. – 2010. – №4, 5. – С. 41– 45.242. Резник, С.В. Метод измерения температуры поверхности обтекателейракет контактными датчиками при стендовых тепловых испытаниях/ С.В. Резник., Г.Н. Середа, А.В.

Шуляковский. // Тепловые процессы втехнике. – 2011. – Т.3, № 6. – С. 278–288.3. Estimation of thermocouple measurement errors for the ceramic specimensunface temperature in thermal tests / G. Sereda, A. Shulyakovskiy, O. Duriex// Int.J.Engineering Systems Modelling and Simulation.2012. Vol. 4, No. 4,P. 181-189.Список опубликованных по тематике диссертации работ:4.Русин,М.Ю.теплофизическиходностороннемАвтоматизированнаясвойствскоростномустановканеэлектропроводныхнагреве/ М.Ю.определенияматериаловРусин,Г.Н.

Середаприидр.// Конструкции и технология получения изделий из неметаллическихматериалов: Сб. тез. докл. XVll Междунар. науч.- техн. конф. –Обнинск, 2004. – С. 64–68.5. А.С. RU 1594501 G 05 D 23/19. Устройство для измерения ирегулированиятемпературыповерхностиобъекта/ Г.Н. Середа,Ю.А. Грацианский.6. Середа, Г.Н. Исследования по применению решения коэффициентнойобратной задачи теплопроводности к определению теплофизическихсвойств керамических материалов в условиях односторонненого нагрева/ Г.Н. Середа, С.В. Резник, М.Ю. Русин // Сб.

тез.докл. XVllМеждунар.науч.-техн. конф. «Конструкции и технология получения изделий изнеметаллических материалов». – Обнинск, 2004. – С. 62–64.7. Середа, Г.Н. Оптимизация параметров эксперимента при определениитеплофизических свойств материалов на основе имитационной модели/ Г.Н. Середа.// Конструкцииитехнологияполученияизделийизнеметаллических материалов: Сб. тез.докл. XVllМеждунар.