Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 56
Текст из файла (страница 56)
В других условиях температура газообразных продуктов термического разложения связующего, выходящих из пористого прококсованного слоя, может оказаться настолько низкой, что на разрушающейся поверхности появятся чередующиеся участки с высокой и низкой температурами (температурная шероховатость) и нарушится регулярное течение в пограничном слое. Все это требует разработки специальных методов расчета физико- химических процессов, протекающих в прилегающем к поверхности слое материала.
Задача таких исследований сводится прежде всего к тому, чтобы установить, в каком диапазоне внешних условий то или иное физическое явление может сильнее всего повлиять на суммарные хаРактеристики разрушения или как по измеренным отличиям в суммарных характеристиках различных классов теплозащитных материалов эвз можно судить о характере протекающих в подповерхностном слое про- Процессы в оокооверхвостг( цессов.
В этом смысле расчетные исследования иногда называют «чиг ленным экспериментом». Ниже анализируются лишь три физических явления, характернь для композиционных теплозащитных материалов. Это плавление сте лонаполнителя, теплообмен в прококсованном слое и гетерогенн взаимодействие между стеклом и углеродом, образующимся при терм ческом разложении связующего.
Согласно принятой в данной главе теоретической модели типичн композиционный теплозащитный материал — стеклопластик на фено формальдегидном связующем по достижении температуры размягченг( стекла образует (при определенных внешних условиях) жидкую плени расплава. В отличие от однородного стекла течение такого расплав осложняется взаимодействием с продуктами разложения связующег Если допустить, что расплав увлекает частички твердого кокса (угл~ рода) вместе с собой, то очевидно, что вязкость этой суспензии должн отличаться от вязкости расплава одного наполиителя. Для учета этог фактора можно воспользоваться формулой (9-2), которая получена дх сферических частиц.
Заметим, что поправочный множитель в заког вязкости (9-2) не зависит от температуры; для стандартного материал с содержанием стекла фзю,=0,7 и коксовым числом связующе( К=0,5 он дает постоянное увеличение вязкости приблизитель в 2 раза. Естественно, что более строгий учет формы коксовых частиц, поп дающих в расплав, или анализ влияния шероховатости самой подлой ки, по которой приходится двигаться расплавленной пленке, мог б несколько изменить указанную цифру. Однако разброс данных по вя кости расплава, полученных в различных экспериментальных работа даже для кварцевого стекла (см. рис, П-)Ч-28) оказывается существенг выше этой цифры, и поэтому подобное уточнение вряд ли целесоо( разно.
Так же, вероятно, следует относиться и к учету влияния на плени расплава газообразных продуктов термического разложения. В изл( женной ранее теоретической модели предполагалось, что газовые п,: зырьки пронизывают пленку по нормали и, учитывая ее малую толщи не успевают оказать существенного влияния на величину эффективн вязкости расплава. Есть еще одна сторона процесса разрушения композиционных ма риалов, на которую газообразные продукты влияют более существенн Это кондуктивный и радиационный перенос тепла в прогретом слое и лупрозрачных материалов, к которым кстати относятся и все стекл образные вещества.
Действительно, появление значительной пористости, в том чисв и внутри пленки расплава, приводит как к резкому снижению молек лярной теплопроводности Х., так и к уменьшению длины свободно пробега фотонов, связанному с увеличением рассеяния и поглощен~ излучения в двухфазной среде. Поэтому коэффициент эффективной т1 Композиционные теплозащнтные материалы лопроводности у композиционных стеклопластиков должен быть меньше аналогичного параметра у однородных стекол. Итак, добавление связующего в стеклообразный материал, с одной стороны, увеличивает вязкость расплава, а с другой — снижает эффективный коэффициент теплопроводности.
Оба этих фактора при прочих равных условиях должны приводить к увеличению доли газифицировавшего вещества в общем уносе массы или к уменьшению роли расплавленной пленки (см. гл. 8). На рис. 9-16 приведены результаты сравнения характеристик разрушения стеклопластиков на фенолформальдегидном связующем и однородного кварцевого стекла при следующих параметрах набегающего потока: температуре торможения 4000 К, давлении 10' Па, тепловом потоке до — — 4550 кВтчмт. Видно, что важнейшими характеристиками стеклопластика являются содержание смолы гр,„и ее коксовое число. При их увеличении возрастает не только эффективная вязкость расплава, но и количество тепла, поглощенного фнльтрующими газообразными продуктами разложения смолы.
Температура на поверхности стеклопластика оказывается выше, чем у стекла, из-за увеличения вязкости расплава (в данном случае тепловой эффект поверхностного горения углерода не учитывался, а доля испарения в уносе массы не превышала 0,1). Переходим к вопросу о внутреннем теплообмене в прококсованном слое.
Отбирая тепло у стенок пор, а затем снижая коэффициент тепло- обмена в пограничном слое за счет вдува, газообразные продукты термического разложения существенно влияют на скорость уноса массы композиционного теплозащитного материала. В принятой нами ранее Рис. еле.
Зависимость относительной скорости разрушения стеклопластика от безразмерного времени (ннлексом о обозначены параметры квазвстацнонариого разрушения кварцевого стекла в тех же условияхк 'г — кварцевое стекло; 2 — стеклопластик с е м 0,3, К 0,0; 3 — то же с гр . 0,3, К 0,2. ч дч .>ч вв в,в 0,0 0.2 тгтт,о Ш 0Д 0,3 вл 0,0 0,0 в,т 0,В в,з 00 р асчетной схеме предполагалось наличие температурного равновесия между газом и стенками пор . Теперь мы рассмотрим этот вопрос подробнее.
Предположим, что разложение связующего идет в узкой зоне — фронте коксования, причем температуры газа и твердой фазы вто в этой зоне совпадают. При заданном постоянном значении коэффици- Процессы в похповерхпосте( бусе — У вЂ” — сеу Т вЂ” Т,'), У < Ув; ЛТ, ЛеТ, оТ о"-Т о,,уе > (9-4, при граничных условиях Т, (9) = Т; Т, (У*) = Т, (9*) = Т', ат Т,1, ад* ыу лр )у=у* дт Индексом з обозначена твердая фаза (стенки пористых канало в прококсованном слое); д — газообразные продукты разложени1 фильтрующиеся через поры, а индексом 2 — неразложившийся мат~ риал.
Все остальные обозначения соответствуют $9-2. В силу квазистационарности разрушения О = ~р (1 — К)р,о = сонат. Скорость перемещения внешней поверхности о определяется нез( висимо из теплового баланса при заданной эффективной теплоте ра( рушения ЛЯпп.' — Х,— '~ +р,ЛДвоо =д . лт, Давление внутри пор находится с помощью закона Дарси при н( вестной проницаемости материала К, и вязкости газа р: С К„А~ = — — —; р =р Я Т; р(,=р. у х х у' у у=о е' Система уравнений и граничных условий (9-45) позволяет получи~ аналитическое решение для температурного профиля в твердой и газ1 ента внутреннего теплообмена ат (см.
гл. 4) разность температур ЬТ, между газообразной и твердой фазами будет непрерывно увеличиватьс по мере движения газа к поверхности и достигнет максимума прн вых де газа из покрытия. Ограничим анализ случаем квазистационарного разрушения и доп стим, что внутри прококсованного слоя все теплофизические свойст постоянны (см. гл. 3). Кроме того, учтем, что перенос тепла внутри г зовых струек за счет молекулярной теплопроводности ничтожно м по сравнению с конвективным переносом тепла, особенно при высок скоростях разрушения. При этих допущениях математическая пост новка задачи формулируется следующим образом: Композннионные теплозащитные материалы образной фазах, а тем самым определить и разность температур между ними (рис.
9-17). Видно, что разность температур является монотонной функцией расстояния от фронта коксования, поэтому для анализа проблемы достаточно исследовать поведение ЬТ, на самой разрушающейся поверхности. Если принять, что температурная неравновесность при фильтрации газообразных продуктов разложения связующего не влияет на скорость перемещения внешней поверхности о, а также на толщину прококсованного слоя ус=бе, то при су-с, и достаточно больших коэффициентах внутреннего теплообмена аг можно получить простую аналитическую формулу для оценки максимальной разности температур р (( — К) (с (7' — Г)+())(о+с (т — 7 ) () +» (( — К)1)(р р ) р а ар Рнс. В-!7. Схема нагрева «аксумщегося материала и изменение разности температур 5Т .
по толщине прококеаванного слоя. Рнс. 8-18. Завяснмоеть разности температур ЬТ от иозффиннента внутренмего теплооемена и ан" 50) кдж!кг1 (р,о ) 0,4 кглм'с); с 1,5 кджг(кг к); рз 1700 кг,'мч я 0,4 10 — е муе; К=0,5. 50О к 200 юо 0 ГЫО5 Ю4 иат/(ма К) Требование достаточно больших значений коэффициента внутренне- го теплообмена означает, что Процессы в похповерхностно Для практических приложений можно упростить это требование до условия, что а~ >>500 кВт/(м' К). Таким образом, формула (9-46) позволяет определить условия разрушения композиционного теплозащитного материала, прн которых различием температур газа и стенок пористого каркаса еще можно пренебречь. На рис.
9-18 приведены некоторые результаты расчетов по этой формуле. Результаты сопоставления показывают, что характер зависимости ЛТ,„от аг при одинаковых расходах газа сходный, хотя в прококсованном слое разность температур выше. Кроме того, расчеты указывают на наличие довольно слабой зависимости приведенной разности температур (ЬТ,х)1(Т Т,) от теплоты термического разложения смолы (ЬН')Яс.(Т вЂ” Т )1 и темпеРатУРы РазложениЯ (Т* — То))(҄— То). Указанное положение становится очевидным, если преобразовать формулу (9-46), используя тепловой баланс на разрушающейся поверхности и уравнение (3-50), в следующее выражение, в которое теплота и температура разложения в явном виде не входят: м р,о,цг Приведенные результаты следует рассматривать как оценку отклонений температурного распределения от равновесного поскольку при расчетах использовалось допущение о применимости уравнений газообразного пограничного слоя и использовался коэффициент конвективного теплообмена, рассчитанный по этим уравнениям.
Диаметр пор в прококсованных слоях теплозащитных материалов обычно составляет 0,01 — 0,1 мм, причем структура пористых каналов достаточно сложная. При этом коэффициент внутреннего теплообмена оказывается таким, что максимальный перепад температур газ — стенка ЛТвя не превышает 10о/о полного перепада температур в покрытии.
Рассмотрим вопрос о гетерогенном взаимодействии наполнителя— стекла и твердого продукта разложения смолы — углерода. В отличие от поверхностного выгорания углерода, рассмотренного в 9 9-3, гетерогенное взаимодействие принципиально изменяет картину разрушения (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
