Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 45
Текст из файла (страница 45)
е. пленка утолщается. Если бы интенсивности этих двух процессов были независимыми, то едва ли можно было говорить о каких-либо закономерностях разрушения. В действительности аэродинамическое трение и теплообмен связаны аналогией Рейнольдса и пропорциональны градиенту скорости во внешнем потоке (е/и,/т/х). Градиент давления также пропорционален (т/ие/т/х). При переходе от ламинарного режима течения к турбулентному зависимость градиента давления от градиента скорости остается той же, а соотношение между коэффициентом теплообмена (а тем самым и силами аэродинамического трения) и (е/и,/дх) становится иным.
Сдвигаюшие силы (трение и градиент давления) в целом слабее возрастают с изменением режима течения в пограничном слое, чем коэффициент теплообмена, поэтому и оказывается, что степень газификации материала при турбулентном режиме течения несколько выше. Анализ основных закономерностей разрушения стеклообразных материалов проше начать со случая сублимации, когда пленка расплава не образуется совсем. Результаты численных расчетов, представленные на рис. 8-13,и, б, показывают, что процесс неравновесного испарения (сублимации) может быть рассчитан простыми инженерными методами. Безразмерная скорость испарения 6 =6 /(а/ср)е зависит только от энтальпии торможения потока 1, и практически не зависит от коэффициента (а/ср)е. Лишь в области малых давлений на скоРость испаРения начинают влиять неравновесность процесса и отвод тепла с поверхности излучением — саТ4 . В рассматриваемом нами квазистационарном режиме разрушения достаточно просто определяется и температура испаряющейся поверхности Ты.
Начиная с 1,)10000 кДж/кг, практически независимо от ве- 212 личины (а/ср)е, она полностью опРеделЯетсЯ давлением тоРможениЯ Характеристики квазистаииоиариого била~) р,: изменение р, с 10' до 10' Па приводит к увеличению температуры сублимирующей поверхности с 2400 до 3400 К.
Рнс. 8-!8. Вливние условий обтекании на характеристики сублимании стенлообраенога материала 1тнсла у «рнвмх соответству- 1,2 ют вариантам табл. 8-1). 0,8 0,8 68 кдж/кг 2 88 а) 3800 к 30 2600 2000 б) Общий характер отмеченных закономерностей при разрушении и, в частности, слабая зависимость безразмерной скорости разрушения и температуры поверхности от коэффициента теплообмена (а1ср)о, а слет довательно, и от размеров тела сохраняется также и при наличии на,' поверхности расплавленной пленки. Плавящиеся тепловащитиые покрытия Учитывая большие расхождения в теплофизических свойствах еклообразных материалов, а также неточность их измерений даже д кварцевого стекла, целесообразно на первом этапе анализа ограничиться некоторыми заданными значениями физических параметров, а затем 12 0,8 0,4 ОД кДжукг б) их проварьировать.
Примем следующие значения констант в законе изменения вязкости с температурой (см. рис. П-1Ч-28): 61 ООО 214 т тю р, = ехр ( — — 18,94), кг с/м'. (8-28) 0 18 32 48 кДж/кг а) Рмс. 0-44. Влннние змтальпнм 7 е м лаеленна торможении р иа безе Размерную скорость оплаеленнн б Е стеклообразмого материала при различной степени черноты поаерхностн е. а — 2=0,007 и; б — 2=0,05 м; — = Го' Па; 7 — МЧ З вЂ” 102 4 — !Ог; б — е-0 П б — е=б 3; 7— а=0,9, Характеристики квазкстациопаркого опл Как показали описанные выше расчеты, при определении парамет~ ров оплавления коэффициент теплопроводности нужно брать при темпе ратуре, близкой к температуре внешней поверхности, тогда как для плотности и теплоемкости могут быть взяты их среднеинтегральные зна чения в интервале температур от Т до Тр.
Ориентируясь на кварцево стекло, примем в последующих расчетах: Л~ = 3 10 кВтГ(м К), с = 1,4кДжДкг К), р = 2200кг)м~. (8-2ц На рис. 8-14 — 8-18 представлены основные характеристики разру~ щения стеклообразного материала в широком интервале параметроа набегающего потока. Рнс. а-зб. Зависимость температуры поверхности 1 от параметров набегающего потока (прн различной степени черноты поверхности зк и — а-бдб1 м; б — Я-В,М м; 1 — е= -ОЗ; 1 — е=О,З; а — е-б,р.
2000 40 хдж/хв а) 2900 260 б) Для каждого давления р, на рисунках приведены три кривые, соот. ветствующие трем возможным значениям степени черноты поверхности материала е. Из-за излучения с внешней поверхности пространственно. временное подобие, как отмечалось в $8-1, нарушается. Если отноше. ние лучистого потока еаТ' к конвективному (а/ср) р(1,— 1 ) остаетсЯ Плавящиеся теплопащитные покрытия неизменным, то скорость разрушения также должна оставаться постоянной. Эти рассуждения, а также приведенные на рис. 8-14, а, б результаты расчетов позволяют понять, почему увеличение размера тела приводит к уменьшению бтв = (роо ) |(оггРЙ и.
1так и в случае сублимации, безразмерная скорость оплавления прежде всего зависит от энтальпии торможения 7с, тогда как температура внешней поверхности пленки расплава практически является функцией только давления Р,. !,а Рис. З-га. Влияние знтальпнн гг и аавления термежения рг на долю испарения кварцевеге стекла Г = бюгбе при епаавленин екрестнвстн точяа термеження затуплениеге тела с ралнусем крнанавы я з,е07 60 кдж кг Ряс.
В-77. Зависиместь безразмерной скерести еплавленяя кварцевого стекла 0 ет температуры поверхности Тм и Лавлени» термежени» Рз пРи РазРУшении окРестиестм тачки термежения затуплениеге тела. а,з а,й И!ВО гйбб йбаа Забб й В зависимости параметров оплавления стеклообразных материалов от условий обтекания можно четко выделить три характерных диапазона. Первый охватывает область малых энтальпий заторможенного потока 1е(8000 кДж/кг. В ней интенсивность разрушения определяется мв в основном вязкостью расплава, а основную роль в тепловом балансе Характеристики каааистапиоиариого опаа играют теплоемкость прогретого слоя с(То — То) и излучение с внешней поверхности еаТ4 . Поскольку излучение является основным стоком тепла, то это предопределяет резкий рост температуры поверхности прв увеличении /, или р,. Характерно также значительное влияние на 6 и Т„степени черноты и.
Вторая область ограничена энтальпиями торможения 8000 —; 40000 кДж/кг. Быстрый рост доли испарения Г=6 /6в приводит к то му, что на первое место в балансе тепла выходят поверхностные физи. ко-химические процессы. Очевидно, что в данном случае должен сказаться химический состав различных стеклопластиков. И наконец, третий диапазон начинается примерно с /,) ~40000 кДж/кг, когда эффективная энтальпия определяется прежде всего тепловым эффектом вдува. Указанная граница, конечно, условна, поскольку стабилизация доли испарения у различных марок стеклообразных материалов, отличающихся законом изменения вязкости или коэффициентом теплопроводности, может наступить как раньше, так и позже указанного значения энтальпии торможения.
Важно отметить, что в указанном диапазоне наклон зависимости эффективной энтальпии от энтальпии торможения /, полностью определяется тепловым эффектом вдува. Этот наклон остается постоянным до тех пор, пока справед. лива линейная аппроксимация зависимости теплового потока от скорости испарения, и становится переменным, когда указанной аппроксима. цией пользоваться нельзя (см.
гл. 4). Очевидно, что значительного увеличения эффективности разрушения при столь высоких энтальпиях торможения можно добиться лишь за счет создания покрытий с очень малыми молекулярными массами образующихся газообразных компонент. Одной из основных задач проведенных расчетов является определение возможной доли расплавленной фазы при разрушении стеклопла. стиков (рис.
8-16). Интересно заметить, что коэффициент газификации Г= 6„/6ь сравнительно слабо зависит от давления набегающего пото ка р„ в то же время он резко возрастает с увеличением температуры илЗ энтальпии торможения. Таким образом, стеклообразные материалы и класса плавящихся, а потому н малоэффективных, теплозащитных ма териалов переходят в класс сублимирующих покрытий уже при дости женин температуры в потоке порядка !0000 К. Забегая вперед, отме тим, что в случае полупрозрачных материалов зависимость Г от /, ока зывается более сложной, при малых давлениях р, она даже не являетс монотонной. На рис.
8-17 приведена зависимость суммарной скорости оплавления 6в от температуры поверхности Т для всех рассмотренных вариантов Помимо температуры, эта скорость зависит от давления и является ос. новной расчетной величиной при определении параметров нестационар. ного разрушения стеклообразных материалов, когда теряет смысл по' пятне эффективной энтальпии (гл. 5). ктлаиящиеся теплоаащитиые покрытия На рис. 8-18 иллюстрируется влияние закона изменения вязкости на эффективную энтальпию разрушения. Расчеты проводились при 14=„2, определяемой по уравнению (8-25), и при 14=144, рассчитываемой по следующей формуле: р, = ехр ~ — — 24,59) кг с/м, !68 800 1 в т„ (8-27) Обе указанные аппроксимации выбраны неслучайно: они ограничивают сверху и снизу поле экспериментальных точек для оптического кварцевого стекла (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
