Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Перенос тепла внутрн тепловащптпого покрытня При этом следует иметь в виду, что с увеличением темпа нагрева происходит смещение зон протекания физико-химических превращений в сторону высоких температур (см. $9-1). Это смещение приводит к тому, что появляется неоднозначность теплофизических свойств при данной температуре, которая тем существеннее, чем сильнее зависит от структуры или плотности вещества соответствующий теплофизический параметр.
Известно, что уменьшение плотности стеклопластика на 107о приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности при нормальной температуре на 20 — ЗОЪ. С ростом температуры влияние пористости на теплопроводность увеличивается, Теплоемкость неразлагающихся веществ очень слабо зависит от пористости, однако в случае композиционных теплозащитных материалов происходит не только увеличение пористости в зоне реакции, но и изменяется химический состав покрытий (в частности, могут улетучиваться высокомолекулярные компоненты, обладающие большой теплоемкостью). Это, конечно, в некоторой степени отражается на величине удельной теплоемкости.
К тому же необходимо учитывать, что теплоемкость входит в уравнение теплопроводности в виде произведения (рс) . В результате у композиционных материалов оба теплофизических параметра Х и с„, образуют характерную «гистерезисную петлю» на графике зависимости их от температуры, ширина которой соответствует возможному сдвигу реакции при изменении темпа нагрева от 0 до нескольких сотен градусов в секунду (в последнем случае преобладающую роль уже начинает играть поверхностное разрушение). Тем самым можно заключить, что исследования теплофизических параметров следует рассматривать как комплексную проблему совместного определения многих взаимосвязанных характеристик.
Учитывая высокий уровень температур и темпов нагрева, вероятно, следует широко использовать для этого эксперименты в высокотемпературных аэродинамических трубах. Глава четвертая ПОРИСТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Структура пористых материалов и гидродииамика течения в порах Пористое охлаждение сочетает в себе многие лучшие черты разрушающейся тепловой защиты с преимуществами систем с накоплением тепла, Наиболее важным является то, что за счет активного взаимодействия охладителя с набегающим потоком газа уменьшается тепловой поток к поверхности, но внешний контур поверхности тела не изменяется во времени, как бы долго ни продолжалось тепловое воздействие. Механизм пористого охлаждения складывается в общем из двух процессов: внутреннего теплообмена, во время которого газ отбирает тепло от пористой стенки при фильтрации к внешней поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающий газ, покинув стенку, диффундирует через пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток.
Именно этот второй процесс обеспечивает более высокую эффективность пористого охлаждения по сравнению с системами накопления тепла. Прежде всего рассмотрим некоторые общие свойства пористых систем. Под пористой средой обычно понимают твердое тело, содержащее пустые промежутки (поры), распределенные более или менее равномерно по объему тела. Основной характеристикой такой среды является пористость. Объемная пористость материала П обычно определяется как отношение объема пор к объему тела г0 1 п~рО. пористое охлаждение Поскольку остальная часть гг общего объема материала занята частицами твердого каркаса, то отсюда следует: ~~т 1 — П= —. Ую В частности, для пористых материалов с каркасом из сферических частиц диаметром А, пористость можно определить нз „„з П = 1 — Л~, — ', б где й~,— число частиц в единице объема. Существует ряд экспериментальных методик для определения пори стости различных материалов.
Под структурой пористого тела понимают геометрическое строение твердого каркаса, характеризуемое взаимным расположением его элементов. Для описания структуры пористых тел используются, как правило, упрощенные модели, в основе которых лежит либо представление о порах тела как о капиллярных цилиндрических трубах, либо пористое тело рассматривается как система сферических частиц, которые могут быть и пустотелыми Эти шары могут быть уложены различным образом.
Известно, что наибольшая пористость получается при использовании одинаковых по размеру сферических зерен. В качестве простейших форм укладки можно привести кубическую или ромбическую. От вида укладки и геометрии частиц зависит величина и форма капилляров между ними. Пористость среды, состоящей из сферических частиц одинакового диаметра определяется только видом укладки.
Кубическая укладка (рис. 4-1,а) характеризуется пористостью 0,476, а при наиболее плотной — ромбической упаковке (рис. 4-1,б) пористость снижается до 0,259. Это значение соответствует теоретически минимальной пористости при упаковке сфер без их деформации. В реальных материалах практически всегда имеются зерна различных размеров, что заметно снижает пористость и размер пор. Например, при ромбической упаковке диаметр поры, образованной четырьмя шарами диаметром И„равен 0,155 г(„тремя шарами диаметром А и одним шаром диаметром 0,5 и',— 0,118 г(„при добавлении второго шара малого диаметра размер поры снижается до 0,094 д,. Особенно резко пористость снижается в тех случаях, когда мелкие частицы располагаются в порах, образованных крупными зернами.
Принятая в моделях форма пор очень проста по сравнению с формой пор в реальных телах, полученных тем или иным способом из различных материалов. Например, металлические пористые материалы обычно получают прессованием порошков со сферическими частицами или плетением волокнистых изделий (рис. 4-1,в). Структура и гидродинамика пористых маем Для обеспечения хорошей механической прочности пористые материалы подвергаются специальной термообработке (спеканию) при температуре порядка 0,8 — 0,9 температуры плавления. Зерна порошка, как правило, имеют собственную остаточную пористость, лежащую в пределах 8 — 15%, Поэтому для получаемых из таких порошков материалов характерно наличие пор как между частицами, так и внутри последних, Практически суммарная пористость металлических пористых тел изменяется в довольно узких пределах, составляя 80 — 40%. Наиболее употребляемыми материалами при создании проницаемых изделий являются такие металлы, как нержавеющая сталь, вольфрам, никель.
Кроме чистых металлов, для изготовления пористых тел используются различные карбиды, керамики и некоторые другие вещества. В этом случае пористая структура формируется в результате предварительного введения в материал и последующего выжигания различных добавок. Такой метод позволяет получать материалы с пористостью до 50 — 60%. Аналогично образуется при нагреве и разрушении некоторых композиционных теплозашитных материалов пористый прококсованный слой (см.
гл. 9). Рнс. 4М. Модели структуры пористык материалов. а — кубическая упакоака; б — ромбическая; о — плетеная сетка иа аолокан; ! — осионная нить; у — крепящая нить. Пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью. Обычно указывают удельную поверхность, под которой понимают суммарную площадь поверхности внутренних пор, приходящуюся на единицу объема материала: Ьк =площадь пор/объем тела.
йорнстое охлаждение Очевидно, что у проницаемых материалов, обладающих мелкозернистой структурой, удельная внутренняя поверхность намного больше, чем у матеряалов с крупнозернистой структурой. У материалов, спрессованных из сферических частичек, внутреннюю поверхность нетрудно подсчитать г=й( Ыт= (1 П), б э 3 л з Величина удельной поверхности играет важную роль при расчете теплообмена между твердым каркасом н охлаждающим веществом. Можно получить формулы для расчета пористости и внутренней поверх.- яости теплообмена в плетенгях материалах, однако число входящих в эти формулы параметров резко возрастает (диаметры основной и крепящей нитей, число основных нитей на едияицу длины материала, и т. д.).
В действительности, как частицы в зернистых материалах, так и проволоки в плетеных структурах при нагрузке могут деформироваться, поэтому значения как !1, так и ! оказываются меньше расчетных. С другой стороны, при диаметрах частиц более 20 мкм не удается достигнуть их достаточно плотной упаковки и поэтому ! превышает расчетное значение. В итоге у зернистых материалов действительная величина 1 может отклоняться почти в 2 раза вверх или вниз относительно теоретического значения. Плетеные материалы в этом отношении намного стабильнее (отклонения от расчетных значений не превышают 307о). Для оценки действительной пористости обычно используется ее связь с плотностью рв = ре (! — П) или П = 1 — (рз!ре) . Плетеные материалы имеют ряд важных преимуществ перед порошковыми: их прочность намного выше; технологически легко получить материал с заданной и притом достаточно равномерной пористостью (определяется типом исходной сетки); используя намотку, можно формировать изделия любых размеров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
