Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 55
Текст из файла (страница 55)
9-2 (индексом Б при этом обозначена конденсированная фаза вещества). Введение опорной группы соединений позволяет избавиться от необходимости детально исследовать механизм образования данного химического компонента и соответственно упростить процедуру численных расчетов. Тепловой поток к неразрушающейся поверхности с температурой То записывается в виде суммы потоков дн+де, где дн — радиационный тепловой поток, а де — конвективный тепловой поток, который может быть записан в следующем виде: де=(я!с,),((1,— Усз,1, )+ ~'(сз,— с, )ЛЯ,~. 264 з (9-38) где тя; — массовое содержание !'-го химического элемента в 7-й компоненте газообразного пограничного слоя; чза — массовое содержание й-й составляющей композиционного теплозащитного материала, а Гав коэффициент газификации А-й компоненты, т.е.
доля в общем уносе массы сг рл расхода газообразных компонент данного химического состава. Коэффициент тс; определяется как отношение молекулярных масс 7-го химического элемента и той (-й компоненты, которая содержит рассматриваемый элемент. Соотношение (9-36) позволяет связать суммарный тепловой эффект поверхностных процессов с тепловыми эффектами элементарных физико-химических превращений Л!'!ь которые нам удобно выразить через разность термодинамнческих энтальпий 7-й компоненты и некоторой «опорной» группы соединений, включающей $(ОБ, СОтн НБО, ХБ, Оз. МБЮ, л4со, гин,о ЬЯ =1.— 1. т. ' ' — 1 т — ' — 1 т — ' — 1 т,.— С З БЮ, Гнд,и СО, СЛ м И,О НЛ 34 И, И,' Я с не 2 Ио 234о Мо ' (9-37) СЛ А4 гн с н, Эта опорная группа соединений соответствует тем компонентам, которые должны образовываться на неразрушающейся поверхности тела при обтекании ее газовым потоком, содержащим химические элементы Я, С, Н, Х и О. Суммарный тепловой эффект на пов Суммируя все процессы переноса тепла, отмеченные на рис.
9-13 получаем окончательное выражение для теплового потока при наличи', разрушения поверхности тела со скоростью 6: = сн+ (се/ср) ~(1,— ~сс,у, ) + ~сс,~~Я,~ + + 6„~,ф Г,Щ» — ((се(с ') + 6 1 ~с,. Що причем коэффициент теплообмена при наличии вдува (а!ср) = (се(ср)эф(6 ), 6 =6 ((а!ср)э. Вид функции ф(6 ) приводится в гл. 4. Тогда соотношение (9-39) может быть переписано в виде д. = с, + д, ф ~ 6.) — 6. Лд„, Тем самым под суммарным тепловым эффектом поверхностных прс цессов ЛЯ понимается следующая величина: ЛЯ = — ~; ~р Г Лч,, + 6 ~ ~, ЛЯ,. '((„'(се(с ) +6,~ с, †(се/с ), с, „ э), (9-4( Индексом 1, тс, «О» отмечены концентрации тчх компонент при отсу ствии разрушения на поверхности. Таким образом, суммарный тепловой эффект складывается из те1 лот, поглощенных при переходе различных составляющих материаЛ в опорную группу соединений и последующем превращении этой опо( ной группы соединений в реальные компоненты газовой смеси у ш верхности.
В некоторых случаях удается получить простые аналитические фо мулы для расчета состава газа у разрушающейся поверхности и соо ветственно довести до конца задачу определения суммарного теплово! эффекта поверхностных процессов ЛЯ . В частности, так получается в тех случаях, когда большинство х) мических элементов представлено у поверхности одной компоненто~ а один нз них — не более чем двумя компонентами. При этом балан массы химических элементов (9-36) вместе с законом Дальтона поза ляют получить аналитические формулы для концентраций каждой ~ компонент. В качестве примера рассмотрим первый режим разрушения стекл пластиков на фенолформальдегидной смоле, исследованный в прелы~ шем параграфе.
Там было показано, что состав газов у поверхнос можно ограничить компонентами: ЯОм 5~О, НлО, СОэ. Композиционные теплозантитные материалы Тогда соотношения (9-36) могут быть представлены следующими четырьмя уравнениями: с, = ~р. Г. + 6е ( /, )6 (та|о, ~С)о Е ~-( — ") с,„, — „'"ф + ".) (о/сс)„+6о 1 '" ( ср /, Е /сс ~ (сс/ср)„+6, ~ ~ ср ( (9-41) где К вЂ” коксовое число смолы, а р,„— ее массовая доля в материале. Параметр срт дает массовое содержание (-й составляющей исходного материала, конкретные значения приведены в (9-17). С помощью полученных формул соотношение (9-40) можно преобразовать к виду (набегающий поток будем считать окислительным): д /(рт зю/ э~о, (~м = 'Ряо,'яо, ~Мзю .— ' — д(~во, /тр +)' со,, я ~~ц зю 1 ~ь)/ роьм 1 + ) Ро, с (9-42) Константа равновесия /тр, соответствует реакции диссоциации молекул стекла (рис.
9-9), а набегающий поток может содержать в своем составе все рассматриваемые химические элементы. При выводе соотношений (9-41) учитывались массовые скорости поступления отдельных составляющих материала к разрушающейся поверхности. При этом стекло и углерод (кокс) существуют в конденсированном виде, тогда как окись углерода и водород являются газообразными продуктами термического разложения смолы: ~зю, ~е 'рзю, / яо, ~с ~е срси / с/( ~со ~е ['рс 'рси /() Мсо/Мс ~н. ~е 'гн Суммарный тепловой аффект на попе~ Это и есть искомое выражение для суммарного теплового эффект1 поверхностных процессов (аналогичные формулы для двух других ре жимов разрушения стеклопластиков приведены в работе [Л. 9-12) Входящая в выражение (9-42) величина парциального давлени кислорода с достаточной точностью может быть вычислена по формул4 Ро и Рс (~~в В~~в ~Р) (9-44 '~~о, где 2 дает избыток кислорода в набегающем потоке, в котором предпс( лагается наличие соединений, указанных в скобках: 2Мо гйго, - Мо (9-44 Концентрация химического элемента В набегающем потоке должна учи.
Рнс. м15. Запнснместь суммарною тепла тывать все компоненты, в составе которых он присутствует: 1 — кпарцепае стекла, Г . 1; 1 — стекла гио. с =2лс . 1,с 1ьпс 1оп пластнк, Е О -О,т, ГЗ О, = 1С -~ 1 у — те ' рэ1О, -— О,у, ГГИО, =1 С Проведенные с помощью уравнения (9-42) оценки показывают, что сум- гг марный тепловой эффект ЛЯ с учетом малости Ро при заданных значениях параметров газификации Ггио, и Гс и отсутствии кремния в набегающем потоке будет слабо увеличиваться за счет ца роста степени диссоциации молекул стекла (увеличения Крг). Нетрудно проследить и влияние на ЛЯ давления в набегающем потоке р,.
С ростом давления степень диссоциации умень- ел шается и соответственно падает суммарный тепловой эффект Л'1 . В действительности, при различных сочетаниях внешних условий значения параметров газификации Гз о и Гс с О -1О -М1 г,а аа могут изменяться в широких пределах, вп йп что приводит к сложной зависимости суммарного теплового эффекта поверхностных процессов от скорости разрушения. На поверхности стекло' пластиков может образовываться обильная пленка расплава, в котору14 вкраплены твердые частички разрушенного коксового остатка (угле~ рода).
В зависимости от того, происходит или не происходит гази~ фикация этих частичек, резко изменяется соотношение молеку Композициоииые теплозазцитиые материалы стекла и окиси углерода в пограничном слое. На рис. 9-15 приведены данные численных расчетов суммарного теплового эффекта ЛЯ (6 ) при увеличении скорости разрушения 6 . Кривая 2 соответствует случаю полного перехода углерода и стекла в газообразное состояние.
Кривая 3 описывает результаты расчетов, в которых предполагалось, что углерод полностью сносится в пленке расплава Гс =О. Там же для сравнения приведены данные для однородного стекла (кривая 1). Отличие кривых 1 и 3 связано не только с уменьшением ЛЯ пропорционально ~р ю , но и с горением водорода и окиси углерода, являющихся газообразными продуктами термического разложения смолы. 9-5. Процессы, протекающие в подповерхностном слое покрытия Процессы, протекающие в тонком прилегающем к поверхности слое, наиболее сложны и мало изучены.
Это связано как с высоким уровнем рабочих температур, так и с тем, что в отличие от газообразного пограничного слоя здесь не применимы методы равновесной термодинамики. Не только величина того или иного параметра, но и сам характер протекания процесса обусловлены взаимодействием многих физических и химических факторов. Современный уровень знаний не позволяет пока делать количественных выводов, поэтому мы ограничимся установлением в основном качественных закономерностей. В то же время явления, протекающие в прилегающем к поверхности слое, существенно влияют на полноту реализации тепловых эффектов поверхностных процессов. Так, из-за изменения вязкости расплава реальных стеклопластиков по сравнению с однородным стеклом температура их поверхности может оказаться недостаточной для испарения материала и его большая часть будет снесена с поверхности при минимальном теплозащитном эффекте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
