Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Обозначим через 6~4такое значение скорости уноса массы, прн котором относительное содержание свободного кремния превысит р,./р,. )10-з. Согласно уравнениям (9-23) и (9-24) при этом молекулы ЯОз и СОт в продуктах разрушения у поверхности уже отсутствуют, а компонент типа ЫтС еще очень мало.
Можно также пренебречь содержанием НзО. Тогда из баланса массы кислорода можно, как и в Процессы иа поверхности стекло предыдущем случае, определить критическое значение скорости разрМ щения 6<": со,е 6 (2> "~~о 'нс (9-2ч ~~о ч>с — %з>о, ч>о+ тсо,е '>гено, к орз о, (9-21 Е атз>о, Р, ч~ т„~зпР.т lм .
+ В качестве примера рассчитаем конкретные значения 6>» и 6<ндл( стеклопластиков на фенольном связующем при указанном в (9-17) с~ держании компонент материала. При ламинарном режиме обтекания можно принять у=0,6, и тогд> из уравнения (9-27) получаем: 6~~> 1з = О) = 0,3, а 6Ц> (з = 1) = 0,4. Если режим обтекания турбулентный, то, положив коэффициент вду, ва 7=0,2, получим: 6~'> >з = О) = 0 37, а 6~'> (з = 1) = 0 49.
Как видим, полуширина переходного интервала между первым и вт4 рым режимом разрушения составляет не более 15% среднего значени1 6»> (соответственно равного 0,36 для ламинарного и 0,43 для турбулен~ ного обтекания). Важно отметить слабую зависимость 6~'> от типа те' чения в пограничном слое. Напротив, второе граничное значение для скорости уноса массы дс статочно сильно зависит от того, ламннарный или турбулентный режи> обтекания устанавливается в пограничном слое. В первом случае 6>е>е =1,1, а во втором примерно равна 2.
Из формулы (9-28) следует, что двукратная диссоциация молеку, стекла имеет место лишь в случае ~р,— р,(М,(М,Ур„., > (Мо(Мзю ) = 0,2. С ростом теплового потока вначале происходит монотонное увелич 1 ние температуры поверхности и связанной с ней скорости уноса масс>( Как в первом, так и во втором диапазоне концентрация элемента креМ ния может быть представлена через парциальные давления двуокис'.
и окиси кремния. Тогда, исключив вследствие его малости р,. из урав нения (9-19), с помощью уравнения (9-20) получим следующее равен ство: Композипиопиые теплозащитиые материалы Как было показано, отношение парциальных давлений окиси и двуокиси кремния во всем первом диапазоне скоростей разрушения не превышает 10 и второе слагаемое в знаменателе оказывается намного больше первого. Следовательно, зависимость 6 (Т ) для этого диапазона можно упростить: 6 егз о, Р, + (т — !) .4 З10е а / Рщс 1 Рщс Дрт(Тес) Мв Рз(О,~ Рэю, У0,2 р, (9-30) В частности, используя аппроксимации таблиц [Л.
9-9], нетрудно получить явное выражение для температуры Т('1, при которой достигается первое граничное значение 6 = 6 . Применительно к стеклопласти- (1! кам на фенольной смоле с (рз,. =0,7 эта температура равна: (9-31) 30,13 3 45!ЯРе В интервале П, где 6 <6 (6, зависимость 6„(Т ) имеет до- (1! (2! статочно сложный, а в некоторых случаях неоднозначный характер (рис. 9-11).
Пунктирная кривая соответствует испарению в вакууме, а цифРы около кРивых дают величинУ 1Р,/(а/ср)е). Аналитическое представление зависимости 6 (Т ) весьма громоздко, и поэтому мы его не приводим. Нам важно сейчас установить общие физические закономерности процесса и, в частности, выявить его определяющие параметры. При 6 )6 начинается двукратная диссоциация молекул стекла, (21 при этом отношение р ю/р, превышает 10'. В этом случае уравнение (9-29) существенно упрощается; при всех реальных значениях отношения давления р, к коэффициенту теплообмена на непроницаемой поверхности (а/ср)е вторым слагаемым в знаменателе можно пренебречь.
Тогда зависимость скорости уноса массы от температуры поверхности становится явной: 6м = (прз о )/1((а/с )о(рз(о "' йп/т~ /Мзю ) (9-32) Теперь нетрудно получить явное выражение для температуры Т('1, при которой достигается второе граничное значение скорости 6 . Для (2! ламинарного режима обтекания стеклопластика с (рз, =0,7 имеем: 7о =; (а/с )„— в кг/(м' с).
(9-33) 2! 6! 700 22,3 — 2,3 !2(а!ср)е Интересно отметить, что первое критическое значение температуры 2во зависело только от давления на внешней границе пограничного слоя, Процессы на поверхности стекло тогда как второе полностью определяется коэффициентом теплообмена. В связи с этим при определенных соотношениях между ними температура Т(') будет меньше Т(') (рис. 9-12), т. е.
Зависимость скорости уноса массы от температуры О (Т ) становится неоднозначной (см. рис. 9-11). Для рассмотренного выше конкретного состава стеклопластика наруше-' ние монотонности настУпает пРи Ре/(а)ср)9)0,5 109, м)с. Итак, для углеродосодержащих стеклопластиков в отличие от однородных стекол характерны трн режима разрушения при воздействии на ннх высокотемпературного потока воздуха. Первый из них, ограничечный сверху скоростью уноса массы б (б , описывается общими для (1) всех стеклопластиков закономерностями (гл. 6), практически не зависящими от их элементарного состава. Во втором режиме разрушения наличие в поверхностном слое стеклопластика свободного углерода приводит к резкой интенсификации испарения, причем зависимость скорости уноса массы от температуры поверхности при определенном соотношении параметров набегающего потока становится неоднозначной.
И, наконец, третий режим разрушения Рнс. 9-11. Зависимость скорости разрушении О от температуры поверхности Т, . Цифры на кривых соответствуют отношению (р )(а)с ),Х Х19 ), м)с. Рнс. 9-!2. Зависимость характерных виаченна температурТ( ) и Т(2) ю ю от параметров набегающего гавового потока ре и (и)с ], соответственно; (и)с ),— в «г)(мг-с), р — в 1О' Па. Р с К 3000 Зобо 2000 а 1 12) и) свойствен лишь тем стеклопластикам, у которых содержание углерода превышает четверть массовой доли стекла. В этом случае максимальное значение скорости испарения определяется кинетической теорией (как при испарении в вакуум), а в пограничном слое присутствуют не только 510, по также карбиды и гидриды кремния и элементарный кремний. Композиционные теплозащитные материалы 9-4. Суммарный тепловой эффект поверхностных процессов при взаимодействии композиционного теплозащитного материала с многокомпонентным газовым потоком При решении задач о взаимодействии композиционных теплозащитных материалов с газовым потоком в качестве граничного условия на разрушающейся поверхности необходимо задавать два параметра: 6 и ЛЯ„.
Первый из них — скорость уноса массы с поверхности 6„, как мы показали в предыдущем параграфе, зависит прежде всего от температуры поверхности Т„, хотя в некоторых случаях эта зависимость может оказаться неоднозначной. Второй параметр поверхностного взаимодействия — суммарный тепловой эффект Ле, — также может быть представлен в виде функции от температуры поверхности Т„и некоторых параметров набегающего потока (например, давления р, и т. д.), или, как показано в гл. 8 на примере плавящихся материалов, целесообразно связать ЛЯ„со скоростью О .
Рассмотрим общую задачу об определении суммарного теплового эффекта поверхностных процессов Ле,„при разрушении композиционного материала в многокомпонентном газовом потоке. При этом как в материале, так и в потоке будем допускать наличие следующих элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и кремния. Тепловой поток д, идущий на прогрев материала, складывается из лУчистого йл и конвективного д потоков, пРичем последний подводитсЯ Рис. З.!3.
Баланс тепла па раеруюающеасп пееерхпестп. к поверхности тела за счет теплопроводности газа и диффузии отдельных его компонент (рис. 9-13): дТ ъч дТ и~ дс; — + э р,Р,~,=~ — +ро,, ч Тс — *. раз Суммарный тепловой эффект па нове (9-34 Результирующий перепад энтальпий торможения в пограничноь слое можно представить в виде суммы отдельных составляющих, учи тывая тем самым в явном виде концентрации отдельных компонент н4 поверхности н в набегающем потоке: 1,— 1„=~с,,14,— ~с, 1, =~с, (1,,— 14 )+~1, (с,,— с, ).
(936 Аналогично тепловому балансу на разрушающейся поверхност1 можно выписать баланс массы любой компоненты газовой смеси. Одн ко при этом следует учесть, что аналогия между тепло- и массообмено1 в общем случае химически неравновесного пограничного слоя позволя ет говорить лишь о подобии профилей энтальпий торможения и массс вых концентраций химических элементов, а не отдельных компонент с, Рис. Ъ!4. Баланс массы на рахруюающався поверхности. Поэтому для каждого химического элемента на разрушающейся поверу ности (рис.
9-(4) можно записать следующий баланс массы: б ~~ф Г т, = 6 ~ с ос у+ (сс/с ) [~~~рс,(са — с с)), а 4 (9-3( В то же время от поверхности раздела в пограничный слой отводит~ ся поток энергии, пропорциональный расходу продуктов разрушения — ' б 1„=ту Хсс 1спм а по направлению к поверхности раздела со стороны конденсированной фазы подходит поток энергии, равный ОБХГвсрв1л„~ Как показано в гл. 2, при числах Льюиса, равных единице, тепловов поток, подведенный за счет теплопроводности и диффузии в погранич~ ном слое, может быть выражен соотношением: Композиционные теилозащитные материалы Т а б л и ц а 9-2. Тепловые эффекты образования веществ Саекинение БЮЗ БЮ ГИ Се СО БЬС Б1Н Н с„и, Щг, кйж)кг 8 780 4 760 27 700 33 200 9 840 2! 900 29 600 354 000 48 500 Тепловые эффекты образования ряда химических соединений, рассчитанные по формуле (9-37), приведены в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
