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

ОГЛАВЛЕНИЕстр.ВВЕДЕНИЕ4ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ1.1.КОНСТРУКЦИОННОЙ КЕРАМИКИ12Разновидности конструкционной керамики121.2. Теоретические основы для исследования теплофизическихсвойств керамики1.3.15Технические средства высокотемпературныхтеплофизических исследований конструкционных и23теплозащитных материаловГЛАВА 2.

ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕМОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КЕРАМИЧЕСКИХКОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ322.1.Оптимизация эксперимента по применяемым критериям322.2.Исходные условия эксперимента332.3.Математические модели теплофизического эксперимента362.4. Применение математических моделей для минизацииметодической погрешности эксперимента53Выводы к главе81ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД ДЛЯТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ823.1.Предпосылки создания823.2.Установка радиационного нагрева873.3.

Средства управления режимом испытаний и90регистрации экспериментальных данных3.4. Автоматизированное оборудование для определения ТФХкерамических материалов9223.5. Погрешность термопары системы управления нагревомВыводы к главе97106ГЛАВА 4. МЕТОДЫ, СРЕДСТВА И РЕЗУЛЬТАТЫЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВТЕПЛООБМЕНА В КЕРАМИЧЕСКИХКОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ1074.1. Методика определения теплопроводности керамическихматериалов1074.2.

Результаты исследования теплопроводности керамикна основе диоксида и нитрида кремния109Выводы к главе115ЗАКЛЮЧЕНИЕ116ЛИТЕРАТУРА1183ВведениеАктуальность темы. В современных изделиях различного назначения, втом числе ракетного и авиационного, широко применяют керамические материалы [1]. Применительно к антенным обтекателям керамические элементы обеспечивают оборудованию необходимые тепловую, прочностную защиту и работоспособность в требуемом радиодиапазоне.

Увеличение скоростиполета ракет в атмосфере приводит к возрастанию нагрузок на обтекатель,повышению температуры его поверхности до 1500-2000 К, интенсификациитеплообмена в нём и снижению его теплозащитных и прочностных показателей. Для обеспечения безопасной эксплуатации бортового оборудования вэтих условиях материаловеды вынуждены заниматься разработкой новых керамических материалов, а конструкторы - учитывать температурные зависимости характеристик конструкционных материалов в новом диапазоне эксплуатационных температур.

Прогнозирование теплообмена в конструктивных элементах невозможно без знания их теплофизических характеристик(ТФХ). Вместе с тем, справочные данные по ТФХ керамических материаловизвестны, как правило, до 1100 К, а данные по ТФХ ряда перспективных материалов, например стеклокерамики и нитридной керамики, отсутствуют.При разработке и поставках серийной продукции выполняется большойобъём работ по контролю различных и в том числе теплофизических характеристик керамики.

Стабильность ТФХ материалов может являться одним изсущественных признаков соблюдения параметров технологического процесса. Поэтому процедуры определения ТФХ должны обладать достаточно высокой производительностью и точностью.Одна из важнейших характеристик в оценке теплового режима конструкции - коэффициент теплопроводности материала, рассчитываемый порезультатам косвенных измерений. В теоретическом плане его определениеопирается на аппарат обратных задач математической физики.4Традиционные методы определения этой характеристики и их математико-алгоритмическое обеспечение основаны на стационарных или регулярных режимах одномерного теплопереноса в единичном образце исследуемого материала, а экспериментальные установки имеют достаточно сложныеконструкции особенно, когда это касается исследований при высоких температурах.

Продолжительность испытаний образца достигает десятков часов.Повышенные требования к точности измерения высоких температур заставляют применять дорогие платиносодержащие термопары. При длительномвоздействии высоких температур возможно изменение структуры керамики,например, изменение пористости или фазового состава, и, как следствие, изменение значений ее теплопроводности. Экспериментальные образцы затруднительно изготовить из припусков заготовок изделий. Возникает необходимость изготовления образцов-свидетелей, характеристики материала которых могут отличаться от характеристик материала изделия.Всё выше перечисленное делает традиционные методы определения коэффициента теплопроводности керамики при высоких температурах излишнетрудоемкими и недостаточно информативными.В последнее время получили развитие методы определения ТФХ при нестационарном теплообмене экспериментального образца, основанные на решении нелинейных коэффициентных обратных задач теплопроводности(КОЗТ) [2].

Они имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными методами, но освоение соответствующих вычислительных программ вызывает затруднения у практиков, занятых преимущественно экспериментальными исследованиями.Эффективным инструментом в реализации преимуществ новых методовопределения ТФХ материалов являются математические методы оптимизации эксперимента [2]. Моделирование техники тепловых испытаний образцов материалов пока недостаточно проработано в части выбора режимов испытаний, формы и размеров образцов, характеристик испытательного оборудования и планирования измерений, недостаточен уровень метрологического5обеспечения. Отдельные виды моделирования применяются разобщённо, а некак взаимосвязанные части единой методологии.

Следствием этого являетсянедостаточная надежность полученных результатов и неоправданно большиематериальные и временные затраты.Анализ возможных путей достижения поставленной цели показал целесообразность постановки комплексного исследования, объединяющего методы математического и физического моделирования теплообменных процессов в экспериментальных образцах, в элементах испытательного оборудования и методы оценки погрешностей полученных результатов.Формулировка цели и задач диссертационной работыЦелью настоящей диссертационной работы является определение коэффициентов теплопроводности керамических материалов на основе диоксида и нитрида кремния в области измерения температур 300 – 1673 К методомодностороннего нагрева образцов с темпом нагрева до 5 град/с и с погрешностью не превышающей 10%.Указанная цель предполагает решение следующих задач:1.

Оптимизация эксперимента по определению теплопроводности керамических материалов в условиях одностороннего радиационного нагрева сприменением критериев минимизации материальных, энергетических и временных затрат.2. Разработка комплекса физических и математических моделей прогнозирования теплообмена в керамических конструкционных материалах дляоценки и минимизации погрешностей эксперимента, выбора режимов нагрева, формы и размеров образцов, параметров экспериментальной оборудования.3. Выбор формы и размеров экспериментальных образцов керамическихматериалов, удовлетворяющих условиям эксперимента.4. Разработка автоматизированного стенда теплофизических исследований керамических материалов с установкой одностороннего радиационного6нагрева образцов до температуры 1673 К с темпом нагрева до 50 град/с.5.

Разработка методики и определение эффективных коэффициентовтеплопроводности исследуемых материалов в области измерения температур300 – 1673 К и темпом нагрева 5 град/с, оценка погрешностей их определения.6. Сравнительный анализ полученных экспериментальных данных поТФХ керамических материалов с результатами определения другими методами.Объект исследования – коэффициент теплопроводности, характеристикатеплообменного процесса в материале, определяемая в условиях одностороннего нагрева образца.Предмет исследования – керамические материалы на основе диоксидакремния и нитрида кремния.Связь с планами и программами НИР и ОКР.

Исследования по теме диссертации проводились в рамках ряда научно-технических программ: Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданскогоназначения», Федеральной инвестиционной программы (приказ Росавиакосмоса № 246 от 29.10.2003 г.), тематических планов фундаментальных и прикладных исследований ОАО «ОНПП «Технология» (договор №61-2001, договор №27-2005).Выбор и разработка метода достижения поставленной цели осуществлены автором с учетом научных достижений в области теплофизических исследований, проводимых в ВИАМ, ОИВТ РАН, ИТФ СО РАН им.С.С. Кутателадзе, МАИ (НИУ), МГТУ им. Н.Э.

Баумана, МГУ им.М.В. Ломоносова, МЭИ, Тамбовском ГТУ, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского,ИТМО им. А.В. Лыкова и других организациях.Весомый вклад в разработку современных методов определения ТФХматериалов внесли Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Бек Дж., Вертоград7ский В.А., Гусева Л.И., Дульнев Г.Н., Зиновьев В.Е., Зуев А.В., Кинжери Дж.,Кирпичев М.В., Коздоба Л.А., Круковский П.Г., Литовский Е.Я., Мищенко С.В., Ненарокомов А.В., Пелецкий В.Э., Петров В.А., Платунов Е.С., Пономарев С.В., Просунцов П.В., Резник С.В., Сергеев О.А., Страхов В.Л., Танаева С.А., Шашков А.Г., Юдин В.М.Научная новизна:1.

Впервые при исследовании теплопроводности керамических материалов научно обоснован подход к оптимизации теплофизического эксперимента с применением критериев минимизации затрат.2. Разработана математическая модель сопряжённого радиационнокондуктивного теплообмена в элементах конструкции стенда радиационногонагрева, позволившая выбрать форму и размеры образцов исследуемых материалов, режимы их испытаний, а также оптимизировать мощность электрических нагревателей.3. Предложена новая методика расчёта погрешности определения теплопроводностиматериаласиспользованиемтеориистатистико-вероятностных критериев оценки.4.