Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 16
Текст из файла (страница 16)
С этой целью была выполнена большая серия численных расчетов по определению влияния переменности КОЭффИцИЕНта тЕПЛОПрОВОдНОСтн На рнс. 3НЗ. Заепсямость коеффнянента тепаопроеоднастн коксумщетосн материала н глубину прогрева [Л. 3-4). Ограни- ее кусочно-постоянная аппрокснмаиня. чимся вначале случаем квазистационарного разрушения с постоянной температурой внешней поверхности 7=Тр=сопз1 и постоянной (заданной) скоростью разрушения о . На рис. 3-14 представлены некото- рые возможные зависимости коэффициента теплопроводности от температуры Х(Т). Ясно, что при столь значительных расхождениях как в характере изменения, так и в абсолютной'величине коэффициента теп- в , т, т, лопроводности можно ожидать больших различий в глубине прогрева.
Прежде всего нужно подчеркнуть, что замена дейсчвительпого Л(Т) постоянным (начальным) значением )., приводила в данных расчетах к отклонениям в результатах расчета глубины прогрева до 5 раз. Это указывает на важность учета переменности коэффициента теплопроводности высокотемпературных теплозащитных покрытий.
Перенос тепла внутри теплозащнтного покрытия Тем не менее можно добиться того, чтобы все результаты расчетов при переменном Х(Т) удовлетворительно совпали со значениями глубины прогрева, определенными по аналитической формуле, основанной на предположении о постоянстве теплофизических свойств (рис. 3-16): а г Тм — То(, Л' б (Х') = — 1и —; а= —. (3-36) В этой формуле коэффициент температуропроводности а рассчитан на основе некоторого характерного значения коэффициента теплопроводности Л', которое соответствует действительному Л(Т) в точке Т +Т* Т = 7т ом = сопз(.
2 (3-37) Таким образом, показано, что при монотонном изменении коэффициента теплопроводности всегда можно подобрать некоторое постояи- Рис. 3-14. Возможные температурные зависимости «оэооицнента теплопроводностн в провоксоваином слое в диапазоне от температурм онзнко-химических превращения Т" до температурм поверхности Т,, Х, сопз1; Лт=агг.
3*=а,Т; М-а,Т; Аз аг (Т вЂ” г )г+аг; 1 =0,5 (Т Ьгм). Рис. 3-15. Влияние характера изменения коэооициеита теплопроводиасти с температураа на толщину прокаксованиого слои б б [3(ТЦ вЂ действительн значение толщины; б [31 — приближенное т Т значение б , определенное при постоянном М-Х(Т') =сопз1; Т'=- Т' 0,5(Т'-1-Т 1.
Соответствующие законы изменения 3(Т) приведены иа рнс. 3-!4. (,а (,2 (,0 т' Т( Л( Лг Лз Лэ Лб ное эквивалентное значение Л', однозначно связанное с действительным законом Х(Т), которое обеспечивает удовлетворительную точность расчета глубины прогрева. С целью обобщения полученных результатов аналогичные расчеты 7а проводились и при резких изменениях внешних параметров, при одно- Влияние физико-химических иревр; кратном и многократном нагреве, для однослойной и многослойной теп. лозащитных систем. При этом удалось отметить следующую особен. ность. Если иа поверхности покрытия температура большую часть времени сохраняется на одном итомже уровне (например, при разрушении Т -Тр — — сопз(), то для определения глубины прогрева можно использовать одно эквивалентное значение Х', взятое при среднеарифметической температуре Т' по толщине покрытия [Л.
3-41. Если же температура внешней поверхности Т (т) существенно переменна по времени, т. е. не имеет ярко выраженной «полкихз или если коэффициент теплопроводности немонотонно зависит от температуры (зависимость типа представленной на рис. 3-13), то целесообразно использовать кусочно-постоянную аппроксимацию зависимости Л(Т). Даже при перепаде температур в теплозащитном покрытии в 3300 К оказывается достаточно 4 — 5-ступенчатой аппроксимации, причем желательно, чтобы границы выбираемых температурных интервалов кусочно-постоянной аппроксимации прн наличии экстремумов проходили через них так же, как и через границы зон физико-химических превращений материала (рис.
3-13). Используя кусочно-постоянную аппроксимацию Х(Т), можно рассчитывать с удовлетворительной точностью не только глубину прогрева (интегральную характеристику прогрева), но и все температурное поле, толщины отдельных зои, например прококсованного слоя или пленки расплава. Возможность кусочно-постоянной аппроксимации зависимости коэффициента теплопроводности от температуры существенно ослабляет требования к объему и температурным интервалам измерений теплофизических свойств. Указанную аппроксимацию ), можно осуществить и для разлагающихся материалов, что является важным доводом при доказательстве существования у них единственной, не зависящей от величины и характера изменения скорости нагрева зависимости Х(Т).
Подробнее этот вопрос рассмотрен в гл. 9. Влияние внутренних физико-химических превращений на температурное поле в теплозащнтном материале До сих пор рассматривались однородные теплозащитные материалы, прн нагреве которых не возникало внутренних источников или стоков тепла. Большинство разрушающихся теплозащитных материалов являются композиционными, причем при нагреве их отдельные компоненты ~могут претерпевать ряд физико-химических превращений еще до выхода на внешнюю поверхность (т. е. при температурах Т(Т„), Схематически этот процесс может быть описан следующим образом (рис. 3-16). Пусть в некотором интервале температур (Т' — дт*) ( Т < (Т'+ дт*) Перенос тепла внутри теплозагднтного покрытия происходят физико-химические превращения одной или нескольких компонент материала. Через Т* обозначим хаРактерную температуру внутреннего физико химического превращения (например, термического разложения или коксования).
Предполагается, что она является центром температурного интервала (Те~(хТ"), в котором может реализоваться тепловой эффект физико-химического превращения Л(')е, изменяться плотность исходного материала, если разложению подверглась твердофазная компонента илн появился пиролитический осадок, выделяться некоторое количество газа 6„, пропорциональное изменению плотности материала. Естественно допустить, что вне температурного интервала (Те-~ -+ЬТе) тепловой эффект Л(,)"=О, а выделяющийся при физико-химическом превращении материала расход газообразных продуктов бл сохраняется постоянным и равным его значению на соответствующей границе зоны реакции (рис.
3-16). Не касаясь физического обоснования предложенной схемы, подчеркнем главные тепловые аспекты рассматриваемого явления. Итак, внутри материала на неизвестной заранее глубине предполагается существование теплового стока и источника образования газов. Эти газы, фильтруясь затем сквозь поры вышележащего слоя, отбирают часть тепла от стенок пор, В первом приближении будем считать, что в любой точке теплозащитного покрытия температура газообразных продук- Рис. 3-16.
Характер изменения основных термодинамическнх параметров процесса разрушения в зоне внутренннк Физико-химических превращений «омпозицнонного материала (отдельные компоненты материала частично изменяют свое Фазовое состояние, причем поглощается (илм выделяется] определенное количество тепла. И"+дт") т" (те-вт') тов физико-химических превращений и стенок пор Равна ('(езависи мо о( скорое( ф 1 1 э(нх продук(ов), далее допускаем, что гидравлическим сопротивлением пористой среды можно пренс Ре исключает накопление газообразных продуктов внутри ело 80 ровавшего материала.
К г л а в е «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРУШАЮЩЕЛСЯ ТЕПЛОВОИ" ЗАЩИТЫ» Успели химии и материаловедения открывают в ваше время широкие возможиостп в подборе разрушающихся теплозащитпых покрытий. Применительно к различным условиям эксплуатации созданы многочисленные рецептуры материалов, обладающих высокими тсплозащитцыми свойствами. На кадрах монтажа показан внешний вид некоторых образцов этих материалов иослс испытания в высокотемпературцом потоке газа. Обращает иа себя внимаиис принципиальное различие поверхностного взаимодействия оплавляющпхся и коксующихся материалов, а также специфические особенности разрушения композиционных покрытий.
К, г л а в е «СУБЛИМИРУЮЩИЕ И РАЗЛАГАЮ- ЩИЕСЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» Простейшими представителями разрушающихся теплозащитных покрытий считаются однородные полимерные материалы, типа полиэтилена, фторопласта, полиметилметакрилата (оргстекла) и т. д. Они обладают сравнительно низкой температурой разложения (сл 1000 К), отличными теплоизолирующими свойствами, что приводит к малой глубине прогрева. На рисунке представлен внешний вид образца такого материала, помещенного в сверхзвуковой поток высокотемпературного газа. Видна отошедшая ударная волна и пограничный слой с продуктами термического разложения полимера. Интересен факт образования рельефных узоров на боковой поверхности образца в зоне перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения в пограничном слое.
На врезке дана схема распределения температуры в прогретом слое материала. Влияние физико-химических иревр В действительности внутри теплозащитного покрытия может суще ствовать не одна, а несколько зон физико-химических превращений, по следовательно переводящих ту или иную компоненту из одного состоя ния в другое. Например, состав газообразных продуктов термическом разложения смолы по мере их фильтрации в пористом каркасе може. изменяться.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
