Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Введя переменные До~ родницына: йлавяпсиеся тепловапситиые покрытия и безразмерную температуру т — те 8=в Т' сведем систему уравнений (8-1) — (8-3) применительно к окрестности точки торможения к следующим соотношениям: дд Хдвв 1 дд те — + — — — — — = О, дп си' дп' 2 д~ При пользовании соотношением (8-7) уравнение сохранения энергии в преобразованном виде будет соответствовать уравнению (8-1) в том случае, если коэффициснт теплопроводности Х близок к постоянному и а д Ни, — — !п — ес;1, ,,т дт Их т. е. при достаточно больших тепловых потоках от газа к телу. В новых переменных граничные условия на поверхности раздела жидкости и газа можно переписать в следующем виде: — ХТе ~7 — ( — ) — ЛЯ,. Ев ) 2п*р = (сс7с )„ т' рв (дп,~ ' ' '"р )Г2ре рг = — ( 'л)ы '1 (Т, р,); к' ди,И~ 2р деР 1 ты Н' дп' и(Т ).~ ди 1д Два других граничных условия в новых псрсмеппых имеют вид, подобный прежнему, и мы их пс приводим.
Если учесть, что коэффициент тсплообмепа для ламинарного пограничного слоя в окрсстности точки торможения пропорционален корню квадратному из градиента скорости в набегающем потоке и с(и,7с(х, и наличие вдува газообразных продуктов с поверхности разрушения не изменяет этой зависимости, а также если иметь в виду существование аналогии Рейпольдса между трением и теплообменом (гл. 2), то можно прийти к весьма интересному выводу. В новых переменных система уравнений и граничных условий для пленки расплава не зависит от градиента скорости на внешней границе пограничного слоя с(и,/с(х, а следовательно, от формы тела, т. е. радиуса кривизны его поверхности в и2 окрестности точки торможения. К гл а ве «КОМПОЗИЦИОННЫЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» Механизм разрушения композиционных материалов весьма многогранен и зависит пс только от состава материала, ио и от конкретного соотношения теплового потока и сдвигающих напряжений.
На рисунке представлено увеличенное изображение внешней разрушающейся поверхности композиционного материала, содержащего стеклообразпый наполни- тель. В верхней части изображения находится окрестность точки торможения потока, где сдвигаюшие силы столь велики, что пленка расплавленного наполиителя ие может задерживаться па разрушаю- шейся поверхности. Однако после перехода иа боковую поверхность образца, где сдвигакнцие напря>кеиия меньше, расплав собирается в капли или целые образования. Дальшс на боковой поверхности (нижний угол рисуика) механизм разрушения в основном представлен сублимацией наполпитсля и термическим разложением связующего. На врезке показан прогретый слой композиционного теплозашитиого покрытия с элементом конструкции изделия.
К г л а в е «МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРУШАЮЩЕИСЯ ТЕПЛОВОИ" ЗАЩИТЫ» Широко развитые в последние годы экспериментальные методы определения механизма разрушения теплозащитных материалов часто опираются на результаты испытаний в высокотемпературных струях, истекающих из плазменных генераторов— плазмотронов. Наблюдения с помощью кино- н фототехники, оптические и термопарные измерения температурных полей дают много информации о детальной картине протекающих внутри н на поверхности материала сложных физико-химических превращениях.
На врезке представлен типичный кадр кинофильма о разрушении композиционного материала в потоке воздуха. Постановка задачи об оилавлеиии стекла Это означает, что температура разрушающейся поверхности или приведенная скорость разрушения и /()ГЙи,/йх) у тел любой формы в одни и те же моменты времени 1 будут принимать равные значения. На установление стационарного режима разрушения будет требоваться тем меньше времени, чем больше градиент скорости (с(и,/Их) . Обобщая этот результат, можно утверждать, что и безразмерная скорость разрушения бз/(се/с ) так же, как н температура поверхности Т, при квазистационарном разрушении является характеристикой данного типа материала, а не размера или формы образца, т.
е. данные, полученные на одних моделях, можно распространять в аналогичных условиях на другие. Более того, мы получаем возможность пересчета теоретических зависимостей температуры поверхности или скорости уноса массы от времени, полученных в предположении постоянства формы тела, на случай ее произвольного изменения, например в результате того же разрушения. Прн пересчетах время т переводят в безразмерное, используя соотношение (8-7). Однако аналитические методы не дают ответа на вопрос о влиянии формы тела или ее изменения на температуру и скорость разрушения при учете излучения поверхности (при этом граничное условие для уравнения теплопроводности перестает быть однородным).
Отклонение от рассмотренного выше пространственно-временного подобия может быть проанализировано только численно. Забегая вперед, можно указать, что параметром, определяющим возможность использования пространственно-временного подобия, оказывается отношение подведенного конвективного до и испускаемого лучистого еоТ' тепловых потоков.
Влияние этого отношения на температуру поверхности обычно достаточ'но слабое и в инженерной практике, по крайней мере при температурах набегающего потока Т„значительно превышающих температуру поверхности Т„, может не учитываться. Что касается скорости разрушения, то отклонения от пространственно-временного подобия зависимостей 6 (т) могут быть весьма значительными.
В частности, величины безразмерной скорости разрушения, полученные на малых моделях, оказываются обычно выше, чем на больших. В заключение этого параграфа необходимо сделать некоторые замечания относительно устойчивости течения пленки расплава. При выводе уравнений (8-1) — (8-3) предполагалось, что течение пленки расплава ламинарное.
Расчеты, проведенные для тонких слоев жидкости, растекающихся по поверхности твердого тела, дают доста- Плавящиеся тепловащптиые покрытия точно высокие значения критического числа Рейнольдса, при котором возможно возникновение неустойчивости движения. Если использовать в качестве определяющего размера толщину пленки, а все физические параметры относить к температуре ее внешней поверхности, то критическое число Рейнольдса должно превышать !О'. Однако в подобных расчетах, как правило, не учитывается зависимость основных теплофизических свойств и в первую очередь вязкости расплавленной жидкости от температуры.
Попытки расчета течения пленок с переменной вязкостью дают значительно меньшие значения критического числа Рейнольдса (порядка нескольких единиц), однако полного подобия расчетных моделей с действительным процессом оплавления аморфных материалов типа стекла пока не достигнуто. Тем не менее следует отметить, что при течении пленки расплава на поверхностях сопловых вкладышей ракетных двигателей или на боковых поверхностях затупленных тел принципиально могут быть достигнуты указанные критические значения числа Рейнольдса. К сожалению, экспериментальные исследования течения расплавленных пленок во всех областях, кроме окрестности точки торможения, сопряжены со значительными трудностями из-за ограниченной мошности современных экспериментальных установок. Но даже в окрестности точки торможения было отмечено появление волн на поверхности оплавляюшегося стекла, которые тем не менее не вызывали каких-либо вторичных явлений, характерных для неустойчивого течения, например разбрызгивания расплава )"Л.
8-4]. Волнообразование на поверхности расплавленного стекла отмечено не только при лабораторных испытаниях, но и на природных образованиях космического происхождения, например, на австралийских тектитах. По сравнению с нерегулярной структурой и формой волн на образцах, испытанных в наземных установках, тектиты поражают внимание правильной формой колец на поверхности. Предполагают, что образование последних связано с влиянием массовых сил (перегрузок), причем этот факт не противоречит теоретическим оценкам.
Все перечисленные обстоятельства дают основания надеяться, что результаты расчетов на базе уравнений ламинарного течения пленки расплава отвечают действительной картине процесса оплавления в широком диапазоне условий обтекания тела н позволяют определить его основные закономерности, которые будут также справедливы при числах Ке, близких к критическим.
Заметим, что вязкость кварцевого стекла, наиболее интересного представителя стеклообразных материалов, столь высока, что при выходе расплава на боковую поверхность затупленного конуса он перестает увлекаться силами аэродинамического воздействия и как бы «замерзает». Тем самым отпадает вопрос об устойчивости течения пленки )"Л. 8-2). Это намного упрощает расчетную схему, поскольку основным процессом на поверхности теплозащитного покрытия ста- 194 новится не стеканне пленки, а испарение стекла. Процессы оа пооерхаоста р Процессы на поверхности раздела стеклообразных материалов и набегающего потока В качестве одного из граничных условий в систему уравнений (8-4) входила скорость испарения или, точнее, расход массы 6 с поверхности пленки расплава.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
