Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Остальные граничные условия задаются на основании законов действующих масс для независимых химических реакций: РО ~о а ргр Рн ~м» ре' РВОВ РО Рн~ Крт Рсо((РО Ро) ~р~ сов ( с' Оэ) рт' сн (Рсрн) рэ' Рс У (Рс 1 и ) Крб Р /ф'=К„а+а1, ГДЕ й=2 —:7, (7-5) Кинетический н диффузионный режимы окне, В диффузионном режиме разрушения также предполагаются равными нулю концентрации атомарного и молекулярного кислорода: (7-10) Записанных выше уравнений (7-3) и граничных условий оказывается достаточно для определения концентраций всех химических компонент, а также скорости уноса массы и температуры разрушающейся поверхности графита. Диффузионные потоки каждой компоненты рассчитываются либо в строгой постановке задачи [Л.
2-9), либо приближенно, причем учитывается, что сумма всех диффузионных потоков равна нулю. Коэффициенты вязкости и теплопроводности смеси получены с помощью формул, приведенных в $2-3. Рассмотрим наиболее интересные результаты численных расчетов. Во всем диапазоне температур поверхности Т процесс разрушения трафита рассчитывался по уравнениям и граничным условиям (7-3) —; (7-9), но в кинетическом режиме окисления (малые значения Т„) дополнительно учитывалось ограничение на скорость уноса массы в виде соотношения (7-1). Рнс. 7-3.
Мольные «онцентрацнн компонент газовой смеси у поверхнолтн при различных температурах поверхности [Л. 7-1П рг =5,% 1Оз Па, т уои К, а О,з м. 'Рис. 7-4. Завясимость скорости уноса массы от температуры поверхно.сти. уз=В,ва ° 1Ег Па, Т =7000 К, а=о,в и. — — — расчет по [Л. 7-ц; — — расчет по [Л. 7-17[; 1 — «Оыстраяхч 7 — «медленная» кинетика. хг7(мот Н "С) а,в оа эа о [аоа вао оооо к вао вава зоао На рис. 7-3 и 7-4 представлены результаты численных расчетов концентраций химических компонент и скорости уноса массы в зависимости от температуры поверхности Т при кинетическом и переходном к диффузионному режимах разрушения.
Расчеты проводились для случая так называемой «медленной» кинетики реакции горения: для сравнения Хамме«скос ваанмодействне потока с покрытием на рис. 7-4 представлены также результаты для «быстрой» кинетики горения. Обрашает на себя внимание характерная полка в зависимости скорости уноса массы от температуры поверхности. Иными словами, внутри кинетического режима горения образовалась небольшая зона, контролируемая диффузией. Ее появление обусловлено сменой определяющей реакции Р2 на реакцию Р1, в результате чего основным продуктом реакции вместо СО» становится СО.
Из рис. 7-3 видно, что смена определяющей реакции вызвана исчезновением кислорода на разрушающейся поверхности, в результате чего скорость разрушения в определенном интервале Т оказывается лимитированной расходом кислорода, диффундирующего через пограничный слой. Затем наступает второй этап, когда определяющую роль вновь начинает играть кинетика реакции, на этот раз Р1, при этом продуктом реакции является более бедное кислородом соединение — СО. Это обусловлено тем, что подходящий за счет диффузии кислород в состоянии связать почти вдвое больше углерода. образуя СО вместо СО» Поэтому в каком-то диапазоне Т„количество подводимого окислителя превышает кинетические возможности реакции горения на поверхностя Лишь при температуре поверхности порядка 2700 К при «медленной» кинетике реакции и 1800 К при «быстрой» окончательно наступает режим горения, контролируемого диффузией. Диффузионное горение относится к случаю сильного взаимодействия потока газа с материалом, когда необходимо учитывать характер течения в пограничном слое, скорости образования отдельных компонент, размер и форму тела, величины коэффициентов диффузии, а также поведение всех возможных продуктов реакции, число которых достигает десятка.
Тем не менее именно на примере графита впервые было показано, что при диффузионном химическом взаимодействии механизм процесса можно приближенно описать простым выражением (7-11) Это соотношение справедливо только при диффузионном взаимодействии. В нем отражено то обстоятельство, что коэффициент массообмена примерно равен коэффициенту теплообмена: 11= (а/ср)н, а концентрация кислорода на поверхности со =О. Тогда диффузионный поток кислорода в направлении к химически активной поверхности равен; рсоро — — й(со,— со ) = (а/с ) со,, причем в соответствии с реакцией Р1 на 16 кг О расходуется 12 кг С; Кинетический и диффузионный режимы оки рР.
с р =1.ео У(а/с ); 1е. = — "'. (7-12) ги1а Азбз ззбз А Если представить многокомпонентную смесь газов как бинарную, то коэффициент диффузии, входящий в число 1еь окажется одинаковым для всех компонент. Вопрос заключается в том, как разбить эту многокомпонентную смесь на две группы, потому что помимо различия в молекулярных массах необходимо учитывать направление диффузион- Сравним это простое соотношение с результатами точных численных расчетов. На рис. 7-5 дан химический состав газовой смеси у поверхности графита при р.=!0' Па. Увеличение давления сдвигает процесс в область более высоких температур.
Концентрации О, Оз и СОА у поверхности не превышает 10-4 (этим подтверждается превалирующая роль реакции Р1, по крайней мере до начала образования циана). Азот начинает реагировать с поверхностью графита прн Т =2800 К, тогда как сублимация последнего становится существенной при Т„) )3300 К, при этом образуется в основном Сз. При сублимации газ у поверхности постепенно насыщается С, Сз, так что содержащие кислород и азот компоненты постепенно оттесняются наружу. Именно эти особенности заставили выделить сублимацию как третий специфический режим теплового взаимодействия. Тем не менее между диффузионным и сублимационным режимами много общего, прежде всего в зависимости скорости процессов от состава газа и размеров тела.
Но есть и принципиальные отличия. Например, при сублимации наблюдается сильная зависимость безразмерной скорости уноса массы от температуры поверхности и давления окружающего потока, чего не было замечено при диффузионном окислении. Итак, первое предположение о том, ЧТО ЕДИНСТВЕННЫМ ХИМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ вовоз смею над поверхностью гра- фита прн обтекаимн его высоко- На ПОВЕРХНОСТИ В ДИффУЗИОННОМ рсжИме температурным потоком воадуха окисления является реакция С+О=СО в предположении термодвнамиее- ского равновесна н давлении, равподтверждается численными расчетами. иом атмосферному (р 1Ф па).
по осн ординат отложены мольные Остается проверить соотношение между концентрации наиболее существен- днффуЗИОННЫМ ПОТОКОМ КИСЛ01юда И раС- иых компонент гааовои смеси. ходом углерода. Представленные выше уравнения (7-11) базируются на обычном выражении для аналогии между тепло- и массообменом: А,б (а/ср) = р. Более точным является выражение, учитывающее отличие числа Льюиса от единицы, которое можно вывести из уравнения (2-13); ~нмнчеспое взаимодействие потока с покрытием ного движения. Желательно, чтобы все компоненты одной группы (например, О, И) имели противоположное направление диффузии по отношению к компонентам другой группы (СО). В задаче об уносе массы графита последнее условие не выполняется. Так, атомы кислорода и азота диффундируют к поверхности, но одновременно в обратном направлении движутся атомы углерода С.
Аналогично извне диффундируют молекулы Оь Х2 и ХО, а навстречу им перемещаются СО, СМ, С02. Поэтому трудно указать единый для всех случаев коэффициент бинарной диффузии и это предопределяет погрешность приближенной постановки задачи. На рис.
7-6 приведено сравнение точного решения для скорости разрушения 47 с двумя расчетами, в которых смесь считалась бинарной (Л, 7-2). Видно, что приближенное решение, в котором коэффициент диффУзии бинаРной смеси Равен сго со, хоРошо соответствУет действительной картине при больших температурах набегающего потока, тогда как при низких температурах Т, лучшие результаты получаются при расчетах по бинарной модели с Р27=0 . Различие между двумя этими решениями достигает 25%. Разная степень достоверности рас- Рнс.
7-0. Срааненне точного и приближенных решений для скорости разРушения графита 0 а функцми от температурм торможения набегающего газа т ~л. 7-2ь à — МОДЕЛЬ бИНаРНОй СМЕСИ С КОЗффиЦНЕНтаМ ДнффУЗПИПП = По 7 — точное решение; 3 — расчет с козффицнентом диффузии по форму. ЛЕ УНЛИЕ; Š— МОДЕйЬ бнпаОНОй СМЕСИ С Э " =П о . и= о,— со,. Фнс. 7-7. Отяосительиая доля циана ф, н сублнмнрующего графита а суммаРном уносе массы графита при различных температурах заторможенного потока Т ~Л. 7-23 Чгс 3010 3 0,4 О,зб < ~0-3 о.го а.г ад о 0 3000 4200 3400 К 3000 4200 5400 К сматриваемых приближенных решений в различных диапазонах Т, об. условлена диссоциацией кислорода во внешнем потоке и сменой определяющего процесса окисления. Действительно, уже при температуре Те порядка 4000 К набегающий поток воздуха содержит как атомы, так 70 и молекулы кислорода.
К гл а в е «ХИМ1!ЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕИСТВИЕ МАТЕРИАЛА С НАбЕГАЮЩИМ ГАЗОВЫМ Г10- ТОКОМ» Химическое взаимодействие высокотемпературного газового потока с твердой поверхностью приводит к разрушению многих типов тсплозащитиых покрытий. На рисунке представлено увеличенное изображение поверхности графитовой пластины, омываемой потоком воздуха с температурой более 5000 К.
Видны отдельные кристаллические частицы углерода. составляющие основу промышленного графита, с обгоревшим вокруг пих связующим. Треки па фотографиях процесса разрушения доказывают' возможность частичного сноса пе полностью прорсагировавших частиц. На врезке видна внутренняя структура прогретого слоя графитовой пластины, причем необходимо обратить внимание па характср постепенного ослабления связи между отдельными кристаллическими частицами за счет окпслспия. К гл а ве «ПЛАВЯЩИЕСЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» Цилиндрический образец из стеклообразного материала, установленный в сверхзвуковом потоке газа с температурой около б000 К, иллюстрирует все основные закономерности механизма оплавления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
