Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Поэтому у стенки эффект вдува должен быть выше. Между защищаемой поверхностью и высокотемпературным газовым потоком образуется слой Рис. 4-)т. Характер измене«на проФилей скорости (а) н температуры (б) в пограничном Слое на поверхности тела, через которую вдуваетс» газообразный охлади- тель, по сравнению со случаем непроницаемой поверхности. бт) б) а) газа, который не только изменяет процесс теплообмена, но даже воздействует на толщину сжатого слоя и характер течения в нем. На рис. 4-!3 показано распределение линий тока при отсутствии и наличии вдува газообразных продуктов в пограничный слой. В случае непроницаемой стенки (рис. 4-13,а) текущий в вязком сжатом слое газ полно- Пористое охлаждение стью состоит из газа набегающего потока, прошедшего через ударную волну, Если вдоль поверхности тела осуществляется равномерный вдув газа, то слой в непосредственной близости от поверхности состоит из вдуваемого газа (рис.
4-13,6, в). Из рисунка видно, что прн 10010-ном и 50010-ном вдувах охладителя появляется некая разделяющая линия тока, с одной стороны которой находится охладитель, а с другой — газ набегающего потока. На рис. 4-13, в можно наблюдать утолщение сжатого слоя и заметное изменение картины линий тока, т.е. интенсивный вдув приводит к тому, что внешний поток обтекает не исходное тело, а некоторое новое той же формы, но с большими размерами. Поступающий в пограничный слой охладитель может вступать в многочисленные химические реакции с компонентами набегающего потока. Это усложняет расчет пограничного слоя, требует обязательного учета многокомпонентности смеси, различия в коэффициентах диффузии, а также в других переносных свойствах отдельных ее составляющих. Тем не менее многочисленные расчетные и экспериментальные исследования позволили установить ряд простых закономерностей, связывающих интенсивность теплообмена с расходом охладителя.
Рис. 4-13. Линни тока в сжатом слое ири наличии и отсутствии вдува. а — вдув отсутствует, б — равномерный вдув, ею о -О,1; е — равно- ре не рм и мерный вдув, — 0,5; 1 — обтекаемое тело; 2 — граница вязкого ре е сжатого слоя (ударная волив); у — разделяюжая линия така Вдуваемый газ, проникая в пограничный слой, нагревается от температуры поверхности Т„до некоторой температуры, близкой к температуре газа в набегающем потоке. Если вдуваемый газ и набегающий поток имеют один и тот же со- з4 став, то по аналогии с прогревом твердых веществ можно предполо- Пористое охлаждение сравнению со всеми другими возможными параметрами. Анализ имею- шихся расчетных работ показывает, что ни одной из следующих величин: с„, )м Р, 1113, 14 нельзЯ пРиписывать опРеделЯющУю Роль во влиЯнии на теплообмен при адуве различных газов. Все указанные факторы при анализе эффективности вдува учитываются коэффициентом (сз/ср)о.
Эти же расчеты показывают, что параметр вдува у не зависит ни от температурного фактора, ни от скорости обтекания нли давления торможения. На рис. 4-14 представлены результаты численных расчетов 1Л. 4-11] влияния вдува инородных газов в набегающий поток воздуха на тепло- обмен в точке торможения затупленного осесимметричного тела. Видно, что тепловые потоки при вдуве водорода и паров двуокиси кремния довольно сильно отличаются.
Обработка результатов расчета позволила рекомендовать следующую аппроксимационную формулу для коэффициента вдува в ламинарный пограничный слой у; у, = 0,66 (М,/М )0' (4-16) Значения у„ и диапазон изменения бб, в пределах которого зависимость 4/ /4/0 на рис. 4-14 остается линейной при адуве различных газов, приводятся в табл. 4-1 [Л. 4-11]. Влияние формы обтекаемого тела на параметр вдува приведено в табл.
4-2. Рис. 4-14. Влнвние на теплообмеи в потоке воздуха вдува разливных газов. 1 — водород; У вЂ” гелий; 3 — воздух, углекислый газ; 4 — двуокись кремнии (нарын Рис. 4-13. Влинние вдува продуктов Разрушении гРафита в воздушной среде на теплообмен 1л. 4-175 !.5 1,2 1.0 о о,а о.в 1,О а.в 0,5 О.й -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,4 2.8 В литературе описано и другое, более сложное выражение у 06 (М /М )0,24(/ //)-0,03 (4-16) которое учитывает неравенство температуры стенки н температуры на- бегающего газового потока. Физические процессы при вду Т а б л и ц а 4-1. Козффициенты вдува различных газов в воздух (ламинариый пограничный слой) (Л. 4-! !) ! Двапааан О, отванаюювй Максимальная га линейному изменению Е Го погРешность т, М со о Вдуваемый газ 0,65 1,90 1,03 0,67 0,50 — 0,5 ь1,0 0 — 0,4 0 — 0,75 0 — 0,8 0 — 1,3 10 10 10 5 5 Воздух На Не СОа 510в Таблица 4-2.
Влияние формы тела на величину постоянного множителя а в формуле (4-14) Геометрия тсва Пластина, конус Точка торможения осесимметричного тела Точка торможения в плоском потоке (клнн) Острый конус под углом атаки 0,8 0,6 0,55 0,6 Зависимость д„/з)о от Ой остается линейной лишь при д (с)о)0,5.
Как показывают расчеты и эксперименты с разрушающимися теплозащитными материалами, тепловой поток к стенке не обращается в нуль даже при высоких скоростях вдува газообразных компонент. На рис. 4-!5 представлены результаты расчета разрушения графита в диссоциированном потоке воздуха. Обратим внимание на два обстоятельства: 1.
Учет химических реакций на поверхности, через которую газообразные продукты поступают в пограничный слой, не изменил принципиально вида зависимости теплового потока от расхода этих продуктов 6; 2. Начальный линейный участок зависимости д (О ) сменяется на криволинейный. С ростом О зависимость асимптотически стремится к нулю. По первому из них следует сделать дополнительные пояснения.
В от.личие от вдува однородных, химически нейтральных газов разрушение теплозащитных материалов обычно связано не только с подачей компонент в пограничный слой, но и с отсосом на поверхности определенных составляющих набегающего потока. В рассмотренном выше варианте с графитом такой отсасываемой компонентой был кислород воздуха. При отсосе тепловой поток также изменяется, однако в отличие от вдува величина с) с ростом О„ увеличивается. В остальном все отмеченные ранее эффекты, в том числе и зависимость от молекулярной мас. !ористое охлаждение сы газа, сохраняются полностью.
Может сложиться такая ситуация, что увеличение теплового потока при отсосе легкого газа из набегающего потока превзойдет по величине снижение 41 за счет вдува продуктов химической реакции, образовавшихся на поверхности. Тогда, несмотря на то что результирующий расход компонент с поверхности оказывается положительным, тепловой поток по мере приращения су будет увеличиваться. Результаты расчетов горения углерода в смеси водорода и азота, представленные на рис.
4-16, иллюстрируют отмеченную особенность, На говерхности графита образуется ацетилен с молекулярной массой М „ = 26, при этом из внешнего потока через пограничный слой отсасывается водород с М„ =2. Из рисунка видно, что скорость увеличения теплового потока с ростом расхода углерода постепенно замедляется. Это связано с тем, что гетерогенное горение углерода на поверхности сменяется гомогенной реакцией углерода с водородом в пограничном слое, тогда как на поверхности начинается сублимация углерода.
Перенос фронта реакции в глубину пограничного слоя снижает влияние эффекта отсасывания водорода. Рассмотренный пример указывает на важность расчета коэффициента вдува для смесей газов с учетом определенных сопутствующих факторов. Попытка описать эффект вдува смеси той же формулой (4-15), заменив в ней молекулярную массу одиночного газа Мб на молекуляр- Рис. 4-44. Зависммость относительного теплового потока от безразмерное скорости уноса массы О при разрушемии граФита в смеси водо- ш рода и азота !Л. 4-га!. Рис. 4-!7. Универсальная зависимость относительного теплового потока от приведенного расхода газообразного охладителя то !л.
4-га!. 4 !,2 !,а 0,5 !,о 0 О,! 0,2 О,З О О,О !, нУю массУ смеси Мз, непРигодна хотЯ бы потомУ, что пРи этом не может быть объяснен факт увеличения теплового потока, представленный на рис. 4-16. Более правомерным представляется расчет коэффициента вдува смеси у как среднеарифметического значения коэффициентов у! ОО для отдельных компонент, взятых с весовым множителем, равным отно- физические процессы при ицус сительным расходам этих компонент с учетом знака (6е)0 прн вдуве и 6е(0 при отсосе). Тогда у = ~7,6,76., где 6 =Х6ь Если на поверхности происходит вдув сразу нескольких компонент, то это соотношение равносильно аддитивному учету эффекта вдува каждой из них: [7161 + г 262 + ' ' ' 1. Че (4-17) Накопленный в процессе численных расчетов опыт позволил обобщить их результаты в виде некоторой универсальной зависимости теплового потока от приведенного расхода охладителя.
Оказалось, что не только на участке линейного изменения д„/де, но и в области, где кривая асимптотически стремится к нулю, в зависимость теплового потока от расхода охладителя входит один и тот же параметр у. Поэтому если использовать в качестве аргумента произведение убк, то полученная зависимость для коэффициента теплообмена (рис. 4-!7) оказывается единой для всех газов и может быть описана простыми аналитическими выражениями. Можно рекомендовать двухступенчатую аппроксимацию для коэффициента теплообмена !Л. 4-!6): 1 — 76, если — 0,3 < 76е < 0,4, (сс/ср) "1' („~, ) 1,012 — 1,16 (76 ) + 0,325 (76 )', если 0,4 Субе С 1,2, (4-18) Для оценочных расчетов достаточно более простого приближения: Ф = 1/[3 (уб )3 + 76 + 1!.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
