Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На разрушение материала теплозащитного покрытия затрачивается значительная доля тепла, поступающего к поверхности тела от горячего потока газа, в результате чего уменьшается доля тепла, отводимая внутрь покрытия посредством теплопроводиосги, Кроме того, в ряде случаев в результате химического взаимодействия разрушаемого материала покрытия с высокотемпературиым пограничным слоем происходит дополнительное поглощение тепла. Вдув продуктов разложения материала теплозащитного покрытия в пограничный слой также изменяет его структуру и приводит к блокированию (умсиыпению) коивективпого теплового потока к поверхности Толщины теплозащитиого покрытия должна быть выбрана таким образом, чтобы за время полета летателыюго 434 аппарата или работы двигателя температура защищаемой конструкции не превышала допустнмую.
Поэтому масса покрытия определяется количеством разрушенного и унесенного материала и количеством мазериала, которое должно оставаться на поверхности к концу работы и ооеспечнвать теплоизоляцию н необходимый перепзд темпера гур между поверхностью покрытия и поверхностью конструкции. Общие требования к теплозащнтным разрушающимся покрытиям сводятся к следующим. 'поглощать большое количество тепла при <рнзнко-химических превращениях; иметь высокие значения объемной теплоемкости (рс); иметь высокие температуру разрушения и значение сгепени черноты; образовывать при разрушении газообразные продукты с малой молекулярной массой для зф)>ективного снижения интенсивности конвективного теплообмена в результате вдува их в пограничный слой; прн образовании жидкой пленки ее вязкость должна быть значительной для уменьшения ее уноса; иметь простую технологию изготовления и невысокую стоимость; сохранять свои свойства при длительном хранении в атмосфере воздуха.
1влк ПОРИСТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Вдув олладителя в пограничный слой через пористую (проннцаемую) поверхность может существенно влиять на интенсивность процесса тецлообмена от внешнего потока к охлаждаемой поверхности. Рассмотрим основные особенности влияния вдува охладнгеля на процесс теплообмена в пограничном слое. Если газ, подаваемый через пористую (проницаемую) поверхность, оглнчается по своим физическим свойствам от газа внешнего потока, то пограничный слой будет содержать смесь газов, состоящих из различных компонентов. В этих случаях процесс теплообмена в цограннчном слое сопровождается процессом диффузии, а при определенных условиях и химическими реакциями. На практике вдув ~ аза в пограничный слой может быть обусловлен различными причинами, например при химических реакциях между потоком газа и поверхностью, при испарении или сублимации теплозащитных покрытий н т.
д, В некоторых случаях имеет место не только вдув газа в пограничный слой, но и отсос, например для управления пограничным слоем; для предотвращения его огрыза и ламипарнззпин применяюг принудительный отсос через пористук~ илп перфорированную поверхность. Отсос газа из пограничного слоя могкет иметь место при конденсации газообразной среды на поверхности прн протекании химических реакций с образованием жидких нлн твердых веществ.
В большинстве случаев вдув илн отсос массы вещества пз пограничного слоя через поверююсть сопровождается разнообразными физико-химическими процессами, оказывающими влияние на характеристики пограничного слоя и интенсивность теплообмена. При вдуве газа в пограничный слой (см. рис. 18.7, в) система уравнений, описывающая процесс теплообмена в пограничном слое, совпадает с системой уравнений на непроницаемой поверхности.
Однако граничные условия на поверхности в силу того, что вертикальная составляющая скорости (о ) при адуве газа через поверхность в пограничный слой отлична от нуля, б>удут при у.==О и=-О, о=-о, (18Л) где о — заданная заранее или определяемая из закона сохранения массы на степке вертикальная скорость подачи газа от стенки. В общем случае значение скорости вдува газа о„является некоторой функцией продольной координаты х. Уравнения пограничного слоя при произвольном законе распределения вдува и скорости внешнего потока вдоль поверхности могут быть решены численным методом >ш ЭВМ. Приближенные решения могут быть получены г помощью интегральных соотношений количества дни>кения и энергии, которые при одинаковых физических свойствах вдуваемого веп(ества и внешнего потока, движущегося с постоянной дозвуковоп скоростью, записываются в виде: с(6*" Х ти > (ри)и с(х р>и- ' (ри)> (18.8) >'6> и (ро)и >,18.6) ои (ри)> ср ' (ри)> где 6:*, б-;" — соответственно толщины потери импульса и энергии.
Эти интегральные соотношения огличаюгся от соответствующих интегральных соотношений для пограничного слоя нв иепронипаемой поверхности наличием двух последних членов. характеризующих вдув вещества в пограничный слой. Для решения этих обыкновенных дифференциальных уравнений необходимо определить связь между касательным напряжением трения (ть) и толщиной потери импульса (б,',*) н соответственно связь между коэффи циентом теплоотдачи (сс) н то,пц>шой потери эиершси (6',*). Для определения этой связи неооход>гяо знать закон изменения скорости и температуры в поперечном сечении пограничного слоя.
В инженерной практике этот закон задается в виде иитерполяцпоипых формул, полученных па основе теоретического апализа и экспериментальных исследований. Точность расчета будет ваш>сеть от того, насколько удачно выбран вид пнтерполяционноп формулы для профиля скорости и температуры Например, для ламииарного режима течения профиль скорости и телспературы в поперсчноч сечснни пограничного слоя может быть аппрокснмпровзи полииомом четвертой степени. Рассмотрим вначале случай вдува в ламинариый пограничный слой несжимаемой жидкости через плоску>о пористую поверхность с теми же физическими свойствами, что и во внешнем потоке (см. р>ис 18.7). Исходными для анализа рассматриваемой задачи 436 Рис.
!ал. 11~ офпле скорости и тип*, атурм ч пю еоечи ж ссче1п и пограничного слоя при над се ве.постна черен пористую степ:у (о, -- толпшпа пограничного слон гри огсутствии вдува; ба — тосппииа погрши шого слов прв адуве) являются уравнения (5.14), (5.15), (5.!6), изменяются только граничные условия (18.4). !1ри вдуве охладнтеля через пористую поверхность в пограничныи -лой профиль скорости и температуры в его поперечном сечении могут существенно деформироваться.
?!од действием вдува вещества в погоани ный слой пристенные его слои, движущиеся вдоль поверхности, будут тормозиться, что приводит к уменьшению проекции скорости газового потока вблизи поверхности на продольную координату к (и), ' ди ) В результате этого градиент скооостн па стенке ! — ',' умепьх др,'и шается, а увеличение массы заторможенного газа приводит к увеличению толщины пограничного слоя (рис. 18.9).
Следовательно, под действием деформации профиля скорости и увеличения толщины пограничного слоя происходит уменьшение силы трения на стенке при прочих равных условиях. С увеличением массы вдуваемого газа на продриле скорости появляется точка перегиба. Аналогичным образом изменяется и профиль температуры в пограничном слое (см. рис, 18.9). Под действием вдува полее холоднсгго газа чем оснопнои внешний поток пристенный поток пограничного слоя вблизи поверхности охлаждается, толщина теплового пограничного слоя увеличивается, что поиводпт к уменьшению градиента температур, а следовательно, и уменьшепшо теплового потока па поверхности. з Деформацию профиля скорости вблизи поверхности под действием вдува газа можно оценить следующим ооразом. Из уравнения движения (5.2) и граничных условий на степке (18.4) следует, что прн у=-0 р„з. ( —;--; —: р ( —.—.—,1) .
(18.7) Это соотношение в безразмерном виде можно записать следующим образом: 437 где )))'„=- и/и,, У .= у/Ь вЂ” безразмерная скорость и коорди. ната. Левая часть этого соотношения характеризует деформацию профиля скорости в пограничном слое под действием вдува, следо- вательно, деформация профиля скорости в относительных коорди- натах определяется безразмерной величиной / = — , называерии ~д Ни мой параметром, определяющим форму профиля скорости— формпараметром.
Рассмотрим его физический смысл р,и,бд (рг)„, д (ри)~ х 6 Ри (Ри) 4 " Ни При ламинарном режиме течения газа вдоль поверхности 6 /х Ке-' ', следовательно, — Р Ке. (18.8) (ри)т Ьд [ри)г Из данного соотношении следует, что формпараметр пропор- ционален отношению расхода газа, вдуваемого через поверхность, к расходу газа, протекающему через пограничный слой. При числе Прандтля Рг = 1 бд 6, х/81 и формпараметр можно предста- вить в виде (ри) х Ш" ) (18.9) (ри)г бд (риг) БЧ и Представленный в таком виде формпараметр будет характеризовать степень деформации поля скоростей и температур под действием вдува как в ламинарном, так и в турбулентном пограничном слое. Для турбулентного пограничного слоя 81 йе и' и, соответственно, (18.10) Чем больше формпараметр /„„тем больше деформация профиля скорости; в профиле скорости появляется точка перегиба, которая с увеличением / удаляется от стенки, и для ламинарного режима течения при /„- О,б!9 касательное напряжение иа стенке становится равным нулю и происходит отгеснение пограничного слоя от плоской поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
