Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 40
Текст из файла (страница 40)
7-15) и Ме.=40 будут снесены под действием набегаю- Везаух щего газового потока. Очевидно, что в и -29 зависимости от «концентрации» зерен Мз или их формы могут получиться различные оценки степени возрастания То скорости уноса массы за счет химико- ВВВВ Зааа к механического выкрашивания, однако это увеличение остается постоянным для данного материала во всем диапазоне диффузионного горения. Для плотных марок графита отмеченный механизм может приводить к отклонениям от расчетной скорости разрушения на 5 — 20е/о.
Неоднократно предпринимались попытки учесть термические напряжения, которые возникают в графитоподобных материалах при высоких Химическое взаимодействие потока с покрытием температурах поверхности в потоках газов повышенной плотности. Однако большое число входящих в расчеты неопределенных параметров делает результаты этих расчетов зависимыми от экспериментальных данных. Поэтому мы не будем излагать существо подобных работ, а отметим лишь некоторые результаты экспериментальных исследований. При испытании в струе высокотемпературного воздуха моделей из графитоподобных материалов в виде затупленного конуса уже при давлениях заторможенного потока, превышающих 2 10' Па, был отмечен механический унос (он равен разности измеренного и расчетного значений скорости уноса массы).
Это явление, вероятно, связано с эрозией отдельных частиц в условиях высоких сдвнгающих напряжений потока [Л. 7-111. В другой работе 1Л. 7-!2) отмечено, что унос графита в виде твердых частиц, имеющих диаметр порядка половины диаметра зерна наполнителя, происходил в сверхзвуковом потоке при давлении торможения рс=5,6 10б Па. Представляет интерес попытка авторов работы 1Л. 7-141 выделить унос массы за счет механического разрушения графита, не зависящий от давления торможения и связанный лишь с температурой поверхности Т„.
Показано, что механическое разрушение при высоких температурах намного превышает расчетную скорость сублимации, в результате Рис. 7-!Б. Схема химико-мохаввчсского выкрашнвания зсрнистога графита. ! — первоначальная поверхность связующего н зерна; 2 — конечная форма зерна и паложснпо внешней павсрхности связующзго. Рис.
7-1а. Зависимость скорости «мсхаиичсского разрушения графита о от температуры повсрхвости т (о,зш:р щ4,б 1о" паь ! — экспериментальные данные работы 1Л. 7-141; 2 — расчет скорости разрушсння по методике рабаты [Л. 7-14Ь агдмй с) 0,0 0,4 0 2000 3200 3000 К 4000 чего в экспериментах не удалось зафиксировать температуру Т„больше 3900 К (рис. 7-16). Однако вопросы, связанные с механической эрозией еще очень слабо изучены, и поэтому единая точка зрения на механизм этого разруше- $86 ння до настоящего времени отсутствует. Глава восьмая ПЛАВЯЩИЕСЯ ТЕПЛОЗАЩИТИЫ~ ПОКРЫТИ)~ Постановка задачи об оплавлении однородного стеклообразного материалз Среди разнообразных разрушающихся тепло.
защитных материалов особо выделяются волокине тые или армированные, обладающие высоким со1 противлением механическому и тепловому удару~ высокой эрозионной и окислительной стойкосты~ и сравнительно легко формующиеся при изготов| ленни крупногабаритных изделий. Наиболее рас1 пространенные материалы этого класса — стекло пластики на основе кремнеземных или кварцевых волокон. В условиях интенсивного аэродинамиче. ского нагрева на поверхносги таких стеклопласти ков может образовываться вязкая пленка расплава Несмотря на малую толщину, пленка оказываез сильное влияние на процесс разрушения, в частно стн сцепление частиц поверхностного слоя предот вращает их эрозионное выдувание потоком. Кром того, пленка снижает интенсивность окисления хи мически активных компонент материала набегаю щим потоком газа.
Для создания теоретическо модели разрушения стеклопластиков необходим соотношения, определяющие интенсивность унос вещества в расплавленном виде (скорость снос плевки). Процессы плавления и течения пленки расплав у кристаллических и аморфных веществ имею определенные различия. Кристаллические вещества плавятся при постоянной температуре Тш при этом вязкость жидкой фазы оказывается столь малой что вся расплавленная масса практически мгновен но сносится с поверхности материала под действи ем аэродинамических сил (рис. 8-!). В итоге темпе Плавящиеся теплозащитиые покрытия ратура внешней, нагреваемой поверхности такой пленки близка к температуре плавления Тр, а толщина самой пленки весьма мала. Аморфные материалы, к которым относится и стекло, не имеют четко выраженной точки плавления: при нагреве они размягчаются постепенно, вязкость их расплава значительная и экспоненциально зависит от обратной температуры 1)Т.
Указанное обстоятельство предопределяет существование на поверхности аморфных веществ сравнительно толстых пленок расплава, их значительный перегрев относительно температуры «размягчения», а также переход некоторой части расплава в пар. Толщина пленки расплава и перепад температур в ней сильно зависят от сорта стекла и могут достигать очень больших значений (рис. 8-2). Иными словами, в отличие от кристаллических тел нагрев в газовом потоке аморфных веществ характеризуется наличием двух фазовых превращений, каждое из которых не имеет фиксированной точки перехода (точно определенной температуры). Поэтому здесь используется поня. тие «температуры размягчения», или такой температурной гранины. выше которой данное стеклообразное вещество может переходить в пластическое состояние и образовывать пленку расплава.
Величина этой температуры достаточно условна, но можно принять ее равной механической температуре стеклования. Последняя определяется как температура, при которой вязкость, измеренная под напряжением 2 10' Н/ме, равна 1О'к пуаз, или 10'т Н.с/м'. С учетом указанных отличительных Рис. 8-Ь Модель процесса разрушения (оплавления) стеклообразного материала в высокотемпературиом газовом потоке, обтеяающем окрестность точки тормо'кения затупленного тела. у — пограничные слой газового потока; у — жидкая пленка расплава, стекающая пад действием сдвигающих сил газового потока; у — твердое тело.
особенностей процесс разрушения аморфных (илн стеклообразных) веществ в высокотемпературном газовом потоке называется оплавлением. Суммарный тепловой эффект при этом оказывается выше. Благодаря этому аморфные материалы являются более эффективными теплозащитуаз ными покрытиями, чем кристаллические. Однако физическая модель их Постановка задачи иб иилаваеиии (8-2) а.оо~ (8-3) Ол разрушения, а следовательно, и схема расчет намног сложнее.
Задача о плавлении материала в высокотем ке газ в общей постановке сводится к совместному р уравне ний сохранения массы, количества движения и ственн для газовой, жидкой и твердой фаз. Вследств большо вязкости расплава скорость его движения мно ти наб гающего потока. Поэтому влиянием движения р ие в по граничном слое набегающего газового потока чь. Эт позволяет разделить решения задач для газово фаз, чт .существенно облегчает решение проблемы в цел Величины теплового потока д„и трения т„ движу щейся пленки расплава принимаются такими ж огично неподвижной поверхности с учетом поправки н испар ния. Толщина пленки расплава даже столь вяз как рас плавленное кварцевое стекло, значительно мень , П09ТО му к системе уравнений, описывающих течени стност точки торможения, можно применить все обыч аминар ного пограничного слоя: пренебречь градиент олщине пленки и т.
д. Плотность расплава практическ емпера туры, следовательно, течение можно считать н сравннию с изменением вязкости внутри пленки расплава предполага- ЮТ, ЧТО ТЕПЛОПРОВОДНОСТЪ И ТЕП. ил»пленила пл лепи» тллоемкость постоянны. межени» Ре тл С учетом всех указанных до. пущений система уравнений, оооо описывающих неустановившееся движение пленки расплава, принимает следующий вид (в систе- тпй»=4 В лдн/лг ме координат, связанной с поверхностью раздела газ — жидкая пленка): д д <т„-тр — (ги) + — (го) = О; (8 )) оооо дх ду =Те(Ч =аа мм ет аа ду(, ду) " дх' .дТ дТ дТ Л д'Т ' — +и — +о — = — —, дт дх ду рс ду' ' где г=г(х) — расстояние от оси симметрии до рассматриваемой точки жидкой пленки (рис.
8-1); и и о — проекции вектора скорости на продольную (х) и нормальную к поверхности (у) координатные оси; р= =р(Т) — коэффициент вязкости расплава; р, — давление на внешней .границе пограничного слоя; Є— касательная состав,ляющая инерцион- Постановка задача об оолавленнн~ твердой фазы. Это позволяет задавать граничные условия как для температурного профиля, так и для компонент вектора скорости на доста' точно большом удалении от внешней поверхности, хотя очевидно, чт толщина пленки расплава много меньше глубины прогрева. Не останавливаясь пока на конкретном виде функции ((Т, р,) граничном условии для скорости испарения, укажем на одно интерес ное преобразование системы уравнений, позволяющее выявить внутрен ние закономерности проблемы. Ограничим анализ окрестностью точки торможения затупленногс( тела, где из условия симметрии можно считать: г (х)=х — = О. — = С,х т„= С,х, ох ох (8-5) $ = р(с — ' —; т( = ~т 2 — — у, ение х' - р Лие ох 4 ' $ П' ох где рв — вязкость расплава при некоторой температуре Т*, а (с(и,/с(х)— градиент скорости на внешней границе пограничного слоя, определяемый формой тела и величиной 1., можно исключить одну из независимых переменных и упростить уравнения.
При этом нужно также использовать безразмерное время: ~ = ~ "—" (т. ох о (8-7) Если дополнительно предположить, что энтальпия заторможенного потока 1, и форма тела не меняются со временем, то последнее соотношение примет вид: ох Введя функцию тока Ч" = 1/2$ Р (т~, т) где С1 и Сх — постоянные. Тогда уравнения сохранения массы (8-! ) и количества движения; (8-2) позволяют исключить из рассмотрения продольную компоненту( скорости течения пленки расплава и(х, у): (8-бй' Предположим далее, что вклад лучистого переноса в тепловом ба-~ лансе на внешней границе пленки ничтожно мал.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
