Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 24
Текст из файла (страница 24)
4-21). Рис. 4-2]. Сннженне тепло- обмена прн адуве воздуха в турбулснтныи поток воздуха. 0,8 à — экспериментальные данные 1Л. 4-9]. Расчет: У— ]Л. 4-13]; 3 — 1Л. 4-]01; 4— по Формуле (4-г4). 0,4 0 г 4 8 8 В работе В. П. Мугалева 1Л. 4-!3) получены обширные сведения по параметрам течения в турбулентном пограничном слое при наличии вдува и о влиянии отдельных параметров (чисел М, Резь свойств вдуваемого газа и т. д.) на теплообмен. В опытах измерялись профили скоростей, температур, концентраций, плотностей в пограничном слое, изучалось 8 — 104 Пористое охлаждение влияние на теплообмен на плоской пористой пластине изменения параметров потока и интенсивности вдува в широком диапазоне.
Проведенные эксперименты при 0(М, =3, 7; 108(Ке (102 показали, что в указанном диапазоне изменения чисел Ке деформации профилей скорости, температуры и концентрации при адуве не влияют на зависимости 41ы(ро=г1 Яй). На основании анализа опытных данных по влиянию вдува на тепло- обмен в турбулентном пограничном слое на плоской пластине В. П. Мугалев предложил простую аппрокснмационную формулу для расчета тепловых потоков О.7~.= 1 — 7,0,; у,=0,10~М,7М)з. 14-23) В отличие от ламинарного пограничного слоя показатель степени при отношении молекулярных масс вдуваемого и набегающего газа ие является постоянным, а сам зависит от величины этого отношения. При 0(Ме/Мй(1 показатель степени Ь=0,35, при 1(М,11Мй(8 возрастает до 0,7 и, наконец, при вдуве водорода, когда М,/Му=14,5 показатель степени б=!.
Обращает на себя внимание факт слабого снижения теплообмена по сравнению с ламинарным пограничным слоем при тех же расходах охладителя. Если вдуваемый газ тяжелее набегающего потока, то в первом приближении можно принять, что коэффициент вдува в турбулентном пограничном слое у, почти втрое меньше соответствующего значения в ламинарном:'ут Чзу . 1,8 се/сто Рис.
4-22. Влиямие вдува в воздушный турбулемтный пограничный слой на коефенднент поверхностного трения. 0,8 1, 2, 2 — расчет по Формуле 14 261 1Л, 4.12П 4, Д б — эксперимент; — лнй; 2, б — воздух; фреои-12. О 8,8 4,8 1,8 г,й ЗД По аналогии с ламинарным пограничным слоем линейные аппроксимации эффекта вдува имеют ограниченное применение. В данном случае целесообразно использовать их лишь до бй(3. При дальнейшем увеличении скорости подачи охладителя эффект вдува приводит к ы4 асимптотическому стремлению теплового потока к нулю.
Аналогия между тепло- и массообменом и 1 (4-2," Для учета влияния вдува массы в турбулентный пограничный ело! можно рекомендовать также формулу, хорошо аппроксимирующую экс периментальиые результаты для воздуха и гелия (рис. 4-2!) при ме, !О' —;)О', интенсивность вдува (Ме/Мя) 6л(8: д /7е = ехр [ — 0,37( — ') ' 6а1. Изменение коэффициента поверхностного трения при вдуве газо! в турбулентный пограничный слой можно учитывать следующим выра жением: — = ехр Если свойства вдуваемого газа и набегающего потока одинаковы то формула для расчета коэффициента трения упрощается: — =ехр( — л 1), (4-2( На рис. 4-22 показано сравнение расчетных и опытных данных п! влиянию на трение вдува различных газов в турбулентный пограничны! слой воздушного потока.
Видно, что ниже всех располагаются данны для гелия, молекулярная масса которого минимальна. Некоторые особенности проявляются при адуве через перфорирован ные поверхности. Требования к размеру и частоте перфорации, как пра вило, зависят от толщины пограничного слоя. Необходимо, чтобы диа метр отверстия г, через которое вдувается охлаждающий газ, был мень ше толщины слоя б, а расстояние между соседними отверстиями н превышало 58. Как показали эксперименты, при турбулентном погра ничном слое перфорированное охлаждение равнозначно пористому пр ба<0,5. Однако при больших расходах или более редкой перфорации эффек тивность перфорированного охлаждения оказывается ниже, чем поря стого.
В заключение сравним эффективность массообменного (пористого и конвективного (трубчатого) охлаждения. Для последнего предпол жим идеальный вариант: бесконечно большой коэффициент теплоотд чи к охлаждающей жидкости и отсутствие перепада температур в н греваемой стенке, что позволяет считать энтальпию жидкости, протек ющей в трубе, равной ее значению при температуре нагреваемой повер> ности Т Это позволяет записать баланс тепла в системе конвективного охлаи денни следующим простым выражением: г)о= 6„(1 — 1о), здесь г)о — пш веденный от набегающего газа тепловой поток; 6„— расход охладител в трубах; (1 — 1о) — приращение теплосодержания этого охладител после выхода из системы. Пористое охлаждение Если в тех же тепловых условиях применить систему пористого охлаждения, то расход охладителя, требующийся для поддержания температуры внешней поверхности на том же уровне, окажется существенно меньше.
Действительно, в данном случае тепловой баланс единичной поверхности пористой стенки может быть записан в следующем виде: Чо = 6н(У вЂ” га) + Ь = 6нй~о 1о) +У(1 — ~ И, причем эффект вдува оценивается в линейном приближении, а 6 — потребный расход охладителя при массаобменном способе охлаждения. Учитывая равенство подведенных извне тепловых потоков, а также допущение о постоянстве температур внешних поверхностей получим для отношения расходов: 6„Ю„= пи+ТУ,— ~.Д~„цц, Итак, результаты сравнения показывают, что пористое или в общем случае массообменное охлаждение тем эффективнее, по сравнению с трубчатым, чем выше отношение перепада энтальпий в пограничном слое к энтальпийному напору внутри системы охлаждения, а также чем больше коэффициент вдува у.
При скорости полета около 8 км/с, когда энтальпия заторможенного газового потока превышает 40000 кДж/кг, приведенные выше расходы 6 и 6„ отличаются на порядок. Заметим, что массообменное охлаждение может быть реализовано не только в виде пористой стенки, но и с помощью разрушающихся материалов. Так для защиты сопловых блоков энергетических установок можно использовать вкладыши нз тугоплавких материалов, пропитанные легкосублнмнрующими компонентами. Глава пятая ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИИ Понятие об определяющем механизме разрушения Принцип работы разрушающихся теплозащитных систем характеризуется потерей поверхностного слоя (или разложением одной из компонент материала) ради сохранения благоприятного теплового режима внутренних слоев и самой защищаемой конструкции.
Разрушение поверхностного слоя происходит в результате различных физико-химических превращений под воздействием подводимых к поверхности конвективных и радиационных тепловых потоков, диффузионных потоков химически активных компонент, а также под действием сил давления и трения.
Химические реакции могут протекать как при участии компонент набегающего потока, так и независимо от них. Кроме того, иа поверхности теплозащитного покрытия под действием внутреннего давления или внешних сил, а также вследствие термических напряжений может иметь место эрозия — механический унос в виде отдельных частиц. Использование разрушающихся теплозащитных систем имеет существенные преимущества перед другими способами тепловой защиты. Главное из них заключается в саморегулировании процесса, т. е. в изменении массового расхода материала покрытия при изменении тепловой нагрузки.
Процессы разрушения сопровождаются фазовыми и химическими превращениями, а также вдувом в набегающий поток продуктов разрушения. Благодаря этим факторам указанный тип покрытий существенно превосходит по эффективности системы, работающие на принципе поглощения тепла. Как подчер- Физико-химические процессы в сжатом слое кивалось во введении и гл. 1, Разрушающиеся теплозащитные покрытия применяются преимущественно в области интенсивных или резко изменяющихся тепловых нагрузок на поверхности тела, Наиболее распространенные разрушающиеся теплозащитные материалы представляют собой, как правило, сложные композиции, причем отдельные их составляющие обладают различной термохимической стойкостью при заданных условиях внешнего обтекания. Иными словами, каждая составляющая композиционного материала имела бы свою температуру и скорость разрушения.
При изменении внешних условий законы изменения температуры разрушения или скорости уноса массы у каждой из компонент оказались бы строго индивидуальными. В связи с этим возникает вопрос, существует ли вообще в такой ситуации какая-либо общая скорость разрушения или при нагреве композиционный материал распадается на отдельные составляющие, поведение которых не зависит друг от друга. Оказывается, для большинства разрушающихся теплозашнтных материалов такая общая скорость су'ществует и практически всегда удается обнаружить последовательность (схему) процессов разрушения — в дальнейшем она будет называться определяющим механизмом разрушения, которая обусловливает появление такой скорости и позволяет при любых заданных условиях обтекания рассчитывать результирующие характеристики поведения данного материала в целом.
У композиционных материалов механизм разрушения обычно определяется поведением какой-либо одной компоненты, массовое содержание которой в материале достаточно велико, либо она в состоянии образовать механически прочный каркас, обладающий лучшей среди других компонент способностью противостоять аэродинамическому воздействию потока при высоких температурах. Что касается остальных составляющих композиционного теплозащитного материала, то их функция в процессе разрушения, конечно, не сводится к роли некоего теплоемкого балласта. Благодаря химическому и физическому взаимодействию с определяющей компонентой они влияют на унос массы последней.
Важно отметить, что скорости разрушения всех неопределяющих компонент в композиции могут оказаться меньше «индивидуальных» скоростей разрушения при данных условиях обтекания. Это снижение обусловлено наличием теплового, гидродинамического и диффузионного сопротивлений пористого каркаса из определяющей компоненты, внутри которого происходит разрушение всех остальных компонент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
