Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 38
Текст из файла (страница 38)
В окрестности точки торможения основная масса вещества уносится в расплавленном виде. Попадая на боковую поверхность образца, волны расплава постепенно замедляются и, наконец, совсем «замерзают», что связано с резким уменьшением здесь теплового и силового воздействия газового потока по сравнению с окрестностью точки торможения. На вРезке представлен схематичный разрез по толщине оплавляющегося материала, указан профиль темпеРатур и составляющие скорости тсчсния расплава.
Кинетический и диффузионный режимы окисл В то же время даже в бинарной постановке задачи безразмерная скорость уноса массы оказывается переменной, т. е. б, Мс 6 = + — с,, = сопз1. (а/ср)з Мо Это обстоятельство связано с увеличением доли циана н молекул углерода в расходе массы с поверхности. При 7,=6000 К и р,=б'к' Х!0з Па в виде циана уносится свыше 30% массы графита (рис. 7-7). Температура поверхности графита значительно меньше зависит от принятой модели расчета (отличие составляет не более 100 К, т.е. 3%).
Все рассмотренные нами до сих пор решения были получены для замороженного пограничного слоя, когда все реакции могли протекать только на поверхности графита. Графит обладает высокими каталитическими свойствами, поэтому состав на поверхности действительно близок к равновесному, несмотря на непрерывный отвод от стенки продуктов реакции. При достаточно больших давлениях и размерах тела в каждой точке пограничного слоя устанавливается равновесие. Однако, как показали расчеты [Л. 7-101, равновесная постановка задачи дает для скорости и температуры разрушения величины, лишь немного меньшие, чем для замороженного пограничного слоя. Точное определение суммарного теплового эффекта поверхностных процессов ЛЯ„необходимо прежде всего в том случае, когда температура поверхности сильно влияет на величину скорости уноса массы. В случае диффузионного режима окисления графита положение существенно упрошается.
Действительно, два члена уравнения теплового баланса на разрушающейся поверхности: тепловой эффект вдува а,д = 76. (7, - 1.) и тепловой экзотермический эффект горения 47„, = б ЛЯсо приблизительно равны по величине, но имеют разные знаки. Поэтому фактически определяющую роль играют два других слагаемых тепло ного баланса: подведенный тепловой поток к непроницаемой поверхности че= (и!ср) з(Уе — 7 ) и излучение поверхности еаТ' . В силу этого температура разрушающейся поверхности оказывается близкой к равновесному значению.
К тому же в диффузионном режиме окисления температура поверхности не определяет скорость разрушения, и поэтому точность ее определения может быть относительно низкой. Иное положение имеет место в кинетическом и сублимационном режимах разрушения. Как было установлено, при низких температурах на поверхности образуется двуокись углерода СОм при этом на каждую единицу массы графита выделяется втрое больше тепла, чем при образовании окиси СО. Напротив, при высоких температурах, в режиме суб- 12 — 104 Химическое нзаимодеастние потока с покрытием лимации, в продуктах разрушения начинают преобладать такие компоненты, как С, Сз, С(к(, образование которых идет с поглощением тепла, в итоге подходящий к поверхности тепловой поток начинает резко падать. Тем самым в рассматриваемых случаях требуется довольно точный расчет баланса тепла, особенно если учесть сильную зависимость скорости уноса массы от температуры поверхности как в кинетическом, так и в сублимационном режимах разрушения, Если учесть, что существенным является только избыток теплоты образования СОг над теплотой образования СО, и, приравнять тепло образования СО тепловому эффекту вдува как и в диффузионном режиме, то расчет можно производить по следующей схеме.
При взаимодействии кислорода воздуха с поверхностью графита образуется окись углерода (гетерогенная реакция), вслед за этим уже в пограничном слое происходит гомогенная реакция догорания двуокиси углерода. При этом на каждый килограмм СО в этой реакции поглощается 10000 кДж, т. е. тепловой эффект поверхностных процессов учитывается только тепловым эффектом гомогенного догорання СО до СО2. Мсо 10 000 Ос— с с с Мс 230000с (7-13) Мсо М(с, — '+Л Мсо Рис. 7-8. Зависимость безразмерной скорости разрушения граФита бм = Оы/(и/ср ) ат темпеуатУРы повеРхности Гм и безРазмеРного расхода газообразных продуктов разложение оргаиического саязушщего а = а 7(а/ср,> Рис. 7.8. Характер изменения во времени безразмерных расходов от- дельных компонент разрушения углепластика. 00 0,8 0.2 0,В 0 200 000 2000 2900 К 80 80 (20 с (00 Здесь введена величина Л, равная отношению массы углерода, унесенной в виде СО, к массе, унесенной в виде СО2.
Если все молекулы СО в потоке окисляются до СОг, то Л=О и тепловой эффект поверхностных процессов — максимальный по абсолютной величине, в обрат(тв ном случае Л=со и приближенная формула (7-13) дает нуль. Конкрет- Сублимационный режим разрушения нос значение Х определяется с помощью графиков, примером которы является рис. 7-3. Заметим, что при заданной температуре поверхност Т величина Х слабо убывает с увеличением давления рм Не представляет большого труда распространить полученные вы формулы (7-11) для диффузионного горения графита на случай ко позиционных материалов, например углепластиков, в которых на дол графита приходится лишь часть массы исходного материала р .
Д пустим, что разрушение материала в целом определяется либо уносо массы прочного коксового остатка, который почти полностью состоз! из углерода, либо уносом массы графитовых волокон. Тогда при ди~) фузионном режиме разрушения такого материала можно записать такс соотношение: 'рс и — о г(("7ср)о у~ й+'рсЯ!. (7-1 Здесь 6л — массовый поток газообразных продуктов разложени органического связующего, который появляется в уравнении в том сл чае, если коксовое число этого связующего отлично от единицы.
Пр этом мы предполагаем, что газообразные продукты разложения инер' ны по отношению к углероду и кислороду. Однако столь простое соо! ношение справедливо лишь при квазистационарном разрушении. В у ловиях неустановившегося прогрева скорость выхода газообразных пр< дуктов термического разложения может существенно отличаться своего квазистационарного значения, а это приводит к изменению с! става газа над разрушающейся поверхностью (за счет эффекта вдува Как следствие скорость горения графита в этом случае оказываетс намного ниже значения, рассчитанного по формуле (7-14).
Численнь примеры, представленные для иллюстрации этого явления на рис 7. и 7-9, заимствованы из работы 1Л. 7-5]. Интересно отметить, что п! больших расходах газообразных продуктов разложения Ол ва повер ности графита отсутствует не только кинетический, но и диффузионнй режим окисления (рис. 7-8). Сублимационный режим разрушения графит! Интерес к анализу сублимационного режима разрушения графи1 связан прежде всего с гиперболическими скоростями входа в атмос ру Земли космических аппаратов или с полетами к другим планет Солнечной системы. Например, в зависимости от состава атмосфер Юпитера и условий входа зонда в нее тепловые потоки к поверхнос1 зонда достигают от 5 до 100 кВт/см'. Это приводит к таким больши толщинам унесенного слоя, что его масса доходит до 40о(о массы зон! 1Л.
7-14). В этих условиях графит является, по-видимому, единстве ным из теплозащитных материалов, способным выдержать столь зиач тельные тепловые потоки при умеренных скоростях разрушения. Сч! Химическое взвимодействие потока с покрытием тается, что тройная точка углерода лежит выше 1О' Па, что позволяет надеяться на отсутствие плавления разрушающейся поверхности даже при чрезвычайно высоких давлениях заторможенного потока, а следовательно, на использование высокого теплового эффекта сублимации.
Однако при анализе поведения графита впроцессесублимации встречаются большие трудности, связанные с неопределенностью термодннамических свойств паров графита при температурах выше 3000 К. Наиболее полная и точная нз существующих в настоящее время методик расчета сублимации графита приводится в работе Скала и Гильберта (Л. 7-11, однако согласно последним термодинамическим расчетам в ней не учтено поведение ряда важных компонент (в основном соединений углерода с азотом Ссади СтМь а также сублимирующих компонент См С, и Ск).
Кроме того, в 1Л. 7-11 занижена теплота образования циана. Пренебрежение рядом компонент вело к некоторому занижению скорости уноса, в то же время уменьшение теплоты образования циана, наоборот, обусловливало завышение его концентрации н, следовательно, суммарной скорости уноса массы. Результаты точных численных расчетов в работе (Л. 7-1~ представлены в виде простой аппроксимации для концентрации углерода (элемента) с сс — — 0,15+ 2 4 10вр — о мехр ~ — 61 400/Т Здесь р,— в Па 10 — ', ҄— в К. Скорость разрушения графита в сублимационном режиме через концентрацию углерода с связана со скоростью диффузионного горения 018) — = 6,67 с 1Р1 ' С,и' причем, как уже отмечалось, Ст 1/(сс/ср)о сопз1 Известно несколько других подходов к определению состава и параметров паров над поверхностью графита. Соответственно опубликован ряд работ, использующих эти отличающиеся данные при расчетах скорости разрушения в зависимости от температуры поверхности.
Все эти теории в отличие от работы Скала и Гильберта являются приближенными. При анализе процессов в многокомпонентном пограничном слое они опираются на аналогию между тепло- и массообменом и применяют для оценки влияния вдува аппроксимацнонное соотношение, чаще всего 180 1 + 0,59 б,„ (а/с ) = ' ' ',кг/(м' с).Здесь р,— вПа 10, /т' — в м. 1,13 Ъ р,/к Сублимационный режим разрушения г( Рвс. 7-1З. Зависимость молекулариой массы паров графита М от температурм сублимирующей поверкиостн г и давлении окружающей сРеды ре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
