Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Эффективная энтальпия является весьма наглядной характеристикой для сравнения различных теплозащитных материалов. Чем выше эффективная энтальпия, тем лучше теплозащитный материал. Обратим внимание на известную независимость эффективной энтальпии от геометрических размеров тела. Действительно, в отличие от теплового потока, величина которого при заданных параметрах набегающего газового потока (р, и /,) обратно пропорциональна )Г)4', где /4'— Размер тела, эффективная эитальпия ни от формы, ни от размера тела в явном виде не зависит.
Это позволяет использовать ее как параметр соответствия условий стендовых экспериментальных исследований обстановке натурного разрушения. Менее удобной представляется другая форма определения эффективной энтальпин, которая иногда встречается в литературе: /О Чо ааТ 4 ' ФФ а /оф+ э Ох Ввиду зависимости суммарной скорости уноса массы 0э (как и теп- 26 лового потока 4/е) от размеров тела второе слагаемое также оказывает- Критерии сравнения разрушаюн(иден мате ся зависящим от Л, а поэтому перенос значений 1е, полученных на моделях, на тела других размеров неправомерен.
Из определения эффективной энтальпии разрушения 1,фф, уравне ния (5-3), видно, что во всех случаях, когда ГФО, она должна существенно увеличиваться с ростом энтальпии заторможенного потока, Параметры набегающего потока могут влиять на 1,фф также через изменение температуры разрушающейся поверхности Тзь доли уноса в газообразном виде Г и суммарного теплового эффекта поверхностных процессов ЬЯ„. Если влияние температуры поверхности можно считать достаточно ограниченным из-за малости вклада члена с(҄— Т,), то два других параметра весьма существенно изменяют не только количественную, но и качественную зависимость 1зфа от 1,. Для иллюстрации этого важного положения снова вернемся к рассмотренным выше примерам стеклообразных и графитоподобных материалов.
У стеклообразных материалов суммарный тепловой эффект поверхностных процессов меняется относительно слабо. Так, для кварцевого стекла можно принять Л(;)„-11000 кДж)кг. Напротив, доля продуктов испарения Г в зависимости от интенсивности подвода тепла, а точнее, этальпии заторможенного потока 1, возрастает от 0 до величин, близ- рис. Б-а. Зависимость долм испарении Г (а) и аффективной зитальпии )миф (б) от зитальпии заторможенного потока ) дла стеклообразных материалов (б() сопз().
Ф ( — г-ел, ая -е; ) — г=ол, ас =соне(; З вЂ” действительная зависимость при Г=)П ). ),б а ких к единице. В соответствии с формулой (5-3) эффективная энтальпия разрушения при любом постоянном Г (например, Г=О,З) линейно возрастает с 1, (рис. 5-6). Ввиду переменности Г мы получаем некоторую криволинейную зависимость 1,фф от 1„которая пересекает прямую постоянного Г=О,З. Разрушение стекла начинается лишь при Т) Тр— Физико-химические основы разрушения некоторой температуры размягчения, поэтому при 1,(1р — 1 (Тр) понятие эффективной энтальпии теряет смысл.
У графитоподобных материалов доля газификации практически постоянна и близка к единице. Однако суммарный тепловой эффект поверхностных процессов меняется от отрицательных значений при горении согласно реакции С+ОЗ=СОЗ или при неполном окислении С+ -)-О=СО до положительной теплоты сублимации ЛЯ„ш которая у графита выше, чем у любого другого материала (рис. 5-7). Если ЛЯм= =(), то при Г=1 эффективная энтальпия линейно возрастает от минимального значения, равного количеству тепла, поглощенного за счет теплоемкости при нагреве до температуры начала разрушения: с (,Тр — То), Если Мм=Мпсп, то ~оду~ветс~ дру~а~ пря~ая, параллельная первой, но расположенная намного выше ее.
Наконец, действительная зависимость 1,фф от 1, асимптотическн стремится к верхней прямой, но прн малых энтальпиях торможения дает даже отрицательные значения 1,фф, поскольку выделяющаяся теплота сгорания по величине превосходит поглощение тепла теплоемкостью. Дополнительное выделение тепла при горении на поверхности приводит к ее значительному перегреву, в результате чего температура поверхности графнтоподобных материа- Рнс. З-т. Зависимость суммарного теплового аффекта поверхностных процессов Ьпм (а) м аффективной витальпии )зфф (б) от знтальпми заторможенного потока ) для графитообразнмх материалов (г 1). ) — ЬОм О; 7 — ЬО Ьсн п, 3 — действительная зависимость при ЬОм )() е)' а) б) лов может превышать равновесную температуру теплоизолированной стенки из нереагирующего материала. Очевидно, для второго из рассмотренных классов материалов понятие эффективной энтальпнн малопригодно для практического использо- 128 ванна, поскольку зависимость 1,фф от 1, знакопеременна.
Поэтому при Критерии сравнения разрушающихся мате обработке расчетных и экспериментальных результатов часто используют безразмерную скорость разрушения: ~~1(сс1с )о. Ее преимущество состоит в том, что зависимость бв от 1, всегда положительна и, кроме того, для ее определения не требуется измерения температуры и оптических свойств поверхности, что существенно облегчает обработку экспериментальных данных, особенно при малых перепадах энтальпии в пограничном слое 1,— 1 . Возвращаясь к анализу зависимости эффективной энтальпии от энтальпии торможения, следует указать еще на два интересных обстоятельства. Первое связано с выбором режима сравнительных испытаний теплозащитных материалов. Ясно, что целесообразно выбирать величину энтальпии торможения прн испытаниях на стенде соответствующую натурному диапазону энтальпнй, иначе сравнение различных материалов будет неправомерным из-за различия механизмов разрушения.
Второе обстоятельство связано с влиянием режима течения в пограничном слое. Коэффициент вдува у раЗЛИЧЕН В ЛаМИНарНОМ Н В ТурбуЛЕНТ рнс, З-З Сравнение зависимостей еффеяном пограничных слоях, причем в пер- тинное ентааьнии разрушения т фф от Вом слУчае Он ВТРое Выше Следова еитальвни тоРможениЯ те ирн ламинаРном н турбулентном режнмал течении в носра- ТЕЛЬНО, НаКЛОН ЗаВИСИМОСтИ 1афф ОТ 1е В иичном слое (ГВ1Ь турбулентном потоке будет намного меньше, однако по абсолютным значе- НИЯМ ОНа МожЕТ НакодИТЬСН Ках ВЫШЕ, течения; т-ламииарный; у — турбулент.
так и ниже соответствующей зависимости для ламинарного пограничного слоя (рис. 5-8). Это связано с тем, что ~тфф прн прочих равных условиях тепловой поток к поверхности при турбулентном пограничном слое оказывается несколько выше, чем при ламинарном. Поэто- в-з му и температура поверхности разрушения оказывается выше, что приво- з а-! дит к более полной реализации тепловых эффектов, связанных с газификацией вещества.
Особо значительно повышение эффективности разрушения ~е прн турбулентном обтекании стекло- образных теплозащитных материалов. Результаты экспериментальных исследований теплозащитных материалов часто представляют в виде линейной зависимости эффективной энтальпии 1,фф от энтальпии торможения 1,: 1 = а+ Ы,; аи Ь вЂ” сонат. Физико-химические основы разрушения Если допустить, что остальные параметры набегающего газового потока (кроме энтальпии 1,), а также изменение температуры поверхности Т„не могут существенно повлиять на уравнение (5-4), то нетрудно рассчитать толщину унесенного слоя материала Л при изменении теплового потока де во времени: ( Че — согч з- ) ~а,1р,~з.=) ро1эфф (5-5) Интервал времени (те — т~) отличается от полного времени теплового воздействия тш поскольку требуется определенный период на прогрев теплозащитного покрытия до начала поверхностного разрушения т1=тт (см. гл.
3), а также существует интервал (тв — та), когда подводимого теплового потока может оказаться недостаточно для продолжения разрушения и материал будет остывать. При расчетах по формуле (5-5) температура разрушающейся поверхности используется как параметр. В отличие от эффективной энтальпии разрушения, которая в основном зависит лишь от энтальпии заторможенного потока, температура разрушающейся поверхности в большой мере является функцией давления р„определяющего коэффициент теплообмена. 5-3. Нестационарное разрушение теплозащитных материалов При переменных внешних тепловых условиях разрушение теплозащитных материалов уже не может оцениваться критериями типа эффективной энтальпии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
