Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Как и в гл. 8, ограничимся случаем обтекания тела в окрестности то' ки торможения, хотя эффект вдува будем рассчитывать не только дг ламинарного, но и для турбулентного режима течения в пограничнч слое. Коэффициенты теплообмена к неразрушающейся поверхнос1 (а/с„)е определяются в соответствии с теорией многокомпонентного п~ граничного слоя (гл. 2), причем предполагается существование аналоги между тепло- и массообменом и трением. Эффект вдува учитывает( в линейном приближении с постоянным коэффициентом пропорционал ности, при ламинарном пограничном слое 7=0,6, а прп турбулен ном — 0,2.
Распределение давления на внешней границе пограничнг( слоя определялось в ньютоновском приближении. Эффективная энтальпия разрушения, как и раньше, определяет~ следующим выражением; !зф,„= =с(Т вЂ” Т') + Г ~ЛЯ +у(!,— 1 )1 Е Режим течения в пограничном слое предполагался ламинарным, а р. диус кривизны тела был принят равным Я=7 мм.
Композиционные тепловая)нтиые материалы Результаты расчетов для модели поверхностного взаимодействия углерода с %02 н набегающим воздухом приведены на рис. 9-22 — 9-25. Как и у однородных теплозащитных материалов, эффективная энтальпия разрушения композиционных стеклопластиков 1,фф увеличивается с ростом энтальпии торможения 1,. В противоположность кварцу эффективность разрушения стеклопластиков возрастает при увеличении давления р, и даже относительно сближается при этом с эффективной эн- Рнс.
2-22. Завясвмость аффективной ентальпин разруыення ! фф от ввтальпяи заторможенного потока Гс Ллв кварцевого стекла я стеклопластнка с ф .Π— — О,т. г ) — испарение без оплавления кварцевого стекла 1Г . 1); 2 — псла. 5Ю репие без оплавления стеклопластика )Г . =Г !); 3, 3 — разруше- 5)О, = С ипе с оплавпеннем стеклопластика и кварцевого стекла соответственно р -1Ог Па; ф б — то же при р -ПР Г!а. Ркс.
В.23. То Яге, его н В-22, Ллв )е >13 Овв кдж)кг. иДм/кг 46 «Дн/кг 20 !6 зг 16 0 4 6 кДц/кг 0 20 40 кДн /кг тальпией разрушения без пленки расплава (кривая 2 на рис. 9-22 и 9-25). Это связано с отмеченной ранее интенсификацией испарения на втором режиме (э 9-3, рис. 9-11) и как следствие с увеличением температуры внешней поверхности кварца по сравнению со стеклопластигтв ком (см.
кривые 4 и Б, а также 5 н б па рнс. 9-24). В результате вяз- Влияние механизма ра кость расплава стеклопластика становится достаточно большой, расх вещества в расплавленном виде снижается и эффективность разруш ния возрастает. Это хорошо видно на рис. 9-25, где приведена завис мость доли испарения в общем количестве унесенного вещества. В отл чие от кварцевого стекла параметр Г у стеклопластика с увеличени давления р, возрастает, Таким образом, несмотря на снижение суммарного теплового эффе та поверхностных процессов ЛЯ за счет выгорания углерода и водор да, увеличение доли испарения в балансе массы приводит к повышенн» Рис.
9-24. Зависимость темвературм разруюаюжеаск поверхности Тю от ээтальпни заторможенного потока 7 (обозначении те же, что и на рис. 9-22). Рнс. 9-29. Зависимость дали аспарени» стекла ГЗ. от эитальпни зазю, торможениого потока ) (обозначеннк те же, что и на рнс. 9-22). 4а)о к ),о 3800 Одо Збао 3400 320О 0,25 ЗОО0 2800 2О 40 кдн !к) 40 кдн/кг 0 20 эффективности разрушения стеклопластиков на органических связующих с большим коксовым числом. Заметим, однако, что реальные условия разрушения могут привести к большому разнообразию в этом вопросе. Это вызвано тем, что колччество испарившегося стекла связано прежде всего с температурой по- [омпозициоииые теплозагцитиые материалы верхности Тм и давлением р„тогда как вынос углерода или водорода на внешнюю поверхность зависит от полной скорости разрушения 6 , а также от скорости прогрева.
Оба последних фактора, помимо внешних параметров обтекания, зависят также от вязкости расплава и теплопроводности конденсированной фазы. Приведенные выше результаты расчетов были получены при теплофизических свойствах кварцевого стекла, взятых по уравнениям (8-26) и (8-27); массовое содержание фснолформальдегидной смолы принималось срс =0,3. При других теплофизических свойствах расплава или прн условиях обтекания, существенно влияющих на долю испарения, эффективность разрушения стеклопластика может оказаться отличной от той, что представлена на рис.
9-22 и 9-23. Существенное влияние на результаты расчетов могут оказать и различия в моделях разрушения (см. $ 9-5). При этом принципиальное значение имеет вопрос о характере взаимодействия углерода со стеклом. Можно выделить три различных варианта. В первом углерод, не успев прореагировать со стеклом, сносится в пленке расплава. При этом предполагается, что расплавленное стекло обволакивает частицы углерода и препятствует его горению на поверхности раздела материала с набегающим потоком воздуха.
Этот случай мы назовем «механическим уносом углерода». Во втором варианте кдн/кг зо Рис. З-га. Зависимость аффективной знтальпин разрушени» у фф от аитальпни заторможенного потока гс прн расчетах по различным моделам взаимодействии углерода со стеклом. à — гетерогенное взаимодействие; у — поверхностное взаимодействие; 3 — механический упос углерода в пленке расплава. 20 о ~о го 30 кАн /кг имеет место поверхностное взаимодействие углерода с испарившнмися молекулами стекла и химически активными компонентами набегающего потока. И, наконец, в третьем варианте происходит гетерогенное взаимодействие углерода со стеклом в глубине прогретого слоя, осложненное ззо всеми поверхностными эффектами второго варианта (см.
э 9-5). Влияние механизма разрто Рис. З-27. Зависимость температуры поверхности Т „, от антааьпнн ааторможенного патака уе Кобоаначени» те же, что и на рнс. В-тбк заоо к 2750 2000 ~0 20 2О Л" 7к численных расчетов показывают, что при высоких значениях энтальпии торможения 7, относительный вклад различных процессов взаимодействия углерода со стеклом в эффективность разрушения снижается, уступая тепловому эффекту вдува. Это связано с тем, что во всех рассмотренных моделях разрушения доля испарившегося материала стремится к единице. Прежде всего именно этим стеклопластики отличаются от Результаты расчета по всем трем моделям представлены на рис, 9-26 и 9-27 для давления р,=100 Па и радиуса тела г(=7 мм. Режим течения в пограничном слое предполагался ламинарным.
Видно, что по мере усложнения схемы взаимодействия углерода температура поверхности Т снижается тем сильнее, чем больше материала испаряется (т. е. чем выше энтальпия торможения Те). При малых значениях Те определяющим фактором становится выделение тепла при горении и температура поверхности в моделях, учитывающих взаимодействие углерода, оказывается несколько выше. Обратим внимание на то, что появление пленки расплава снижает неоднозначность зависимости скорости испарения от температуры 6 (Т„).
Эта хорошо иллюстрируется кривыми 2 и 4 на рис. 9-24, а также рис. 9-2?. В частности, хотя условия внешнего обтекания, для которых были рассчитаны варианты на рис. 9-27, соответствовали условию на- РУшениЯ однозначности этой зависимости из 9 9-3, т. е.
Реу'(а!ср)о) )0,5 100 м(с, тем не менее лишь при гетерогенном взаимодействии углерода это обстоятельство отразилось на зависимости температуры поверхности Т„от энтальпии торможения 7,. Видно, что при увеличении 7, температура поверхности сначала возрастает, затем снижается, достигая минимума при 7,=10000 кДж/кг, а затем опять растет. Результаты Композиционные теплозавцнтные материалы кварцевого стекла, у которого даже при высоких значениях /, определенная часть массы уносится в виде расплава. Еще слабее проявляются специфические особенности механизма взаимодействия углерода со стеклом, т. е.
механический унос частиц углерода, их поверхностное (гетерогенное) горение при турбулентном режиме течения в пограничном слое. Это, вероятно, связано с относительно высоким уровнем теплоотдачи в турбулентном слое при сохранении почти того же уровня сдвигающихся напряжений в пленке расплава, что и в ламинарном пограничном слое. При этом доля испарения в уносе массы быстро увеличивается. В этом случае отличия в эффек- рнс.
9-28. Зависимость эффективной энтальпин разрушении 1. ф(, от перепада антальпий (1 — 1 ) в потоке различнмх газов. е ш 1 — азот Нн 2 — углекислый газ СОн 8 — воздух; 4 — ннслород оь рнс. 9-29. Зависимость суммарного теплового эффекта поверхностных н Ропессоа от безвазмеэ.й сновостн Рэзэтшеник ОВ-ОЕ1(м)с )О р (обозначении те ме, что и на рнс. 9-28). кДж/кг «Дп/ш 000 400 )2 -4000 -0000 4 О кДж/кг 0,5 ),о ),5 тивности разрушения могут быть связаны только с тепловым эффектом поверхностных процессов ЛЯ„.
По всем остальным составляющим эффективной энтальпии, в том числе и по эффекту вдува, различия между всеми указанными моделями уже не будет. Таким образом, можно констатировать, что в высокотемпературном потоке воздуха раз- Взннние механизма рзз хди ) личные классы стеклообразных материалов, имеющих одинаковц теплофизические свойства, могут различаться по эффективной энтал пии разрушения в основном за счет доли испарения Г в общ уносе массы. Лишь в диапазоне малых энтальпий торможения 1, с щественным является также различие в суммарных тепловых эффе тах поверхностных процессов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
