Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Иную картину мы видим при анализе те, ператур разрушающейся поверхности. Здесь влияние принятого механи ма разрушения не только не снижается с ростом энтальпии торможени но даже становится больше, особенно при высоких отношениях давлен р, к коэффициенту теплоотдачи (а/ср) о. В заключение рассмотрим поведение композиционных стеклопласти ков в газовых потоках различного химического состава.
На рнс. 9-28- 9-32 приведены результаты расчетов разрушения стандартного стекл) пластика с содержанием стекла )рз,. =0,7 по моделиповерхностного вза) модействия углерода. Давление торможения )ус=10т Па, а радиус кривизны тела в окрес ности точки торможения принят равным 1 м. Режим течения в пограни ном слое ламинарный. Учитывая различия термодинамических свойств набегающих газовы потоков, удобно представить результаты расчетов не в виде функции с энтальпии торможения, а в виде зави- СИМОСТИ ОТ ПЕРЕПала ЭвтаЛЬПИЙ В ПО- рис.
Е-ЗЕ, Заиисиместь температуры раз~ граничном слое и на разрушающеися мавмезса позерхиости тм от перепала ~ поверхности (те — т ) Эффективная эн тальпиз ыс — !и) тобоаиаееиии те ме, т и иа рис. з-зз). тальпия разрушения 1,фф существенно зависит от состава набегающего газа. Чем больше кислородосодержащих компонент в потоке, тем ниже степень диссоциации стекла, а следовательно, и скорость испарения, тем больше материала сносится в жидком виде или, Згба в конце концов, ниже эффективность разрушения (рис. 9-28). Некоторые особенности наблюдаются на углекислом газе и воздухе.
При низких перепадах энтальпии 7, — 7„ эффективная энтальпия при разрушении в СОз выше, чем в воздушной среде, хотя окис. лительный потенциал в первом случае ггва 0 4 в значительно больше (со, с в углекислом газе равна 0,36, а в воздухе- — 0,23). Это связано с составом продуктов разрушения и знаком суммарнс ТЕПЛОВОГО ЭффЕКта ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ 4))"т ПРИ НИЗКИХ СКОРОСт разрушения (рис. 9-29). В среде углекислого газа на поверхности уга рода не образуется компонента СО,, характерная для процессов Р( рушения в воздухе при низких скоростях вдува (первый режим испарен! Композиционные теплозаи(итные материалы стеклопластика, см, $ 9-3).
Этот эффект легко прослеживается и на рис. 9-30, где приведены зависимости температуры внешней поверхности от перепада энтальпий. Роль поверхностного взаимодействия углерода со стеклом и набегающим потоком особенно резко проявляется при анализе зависимости доли испарения от перепада энтальпий (рис. 9-31). Обращает на себя внимание тот факт, что в инертной атмосфере пленка расплава практически никогда не образуется. Этим композиционные стеклопластики также отличаются от однородных стекол, которые даже при высоких значениях энтальпии торможения большей частью уносятся в жидком виде. Из рис. 9-32 видно, как сильно зависит процесс перехода к третьему режиму испарения от состава набегающего газового потока.
Интересно Рис. 9-9!. Зависимость доли испарении стекла Г в общем уносе мас- зю, см от перепада знтальпнй (У вЂ” Г ) (обозиачени» те же, что и на е и рпс. 9.28). Рис. 9-92. Зависимость безРазмеуной скоРости Упоев массы О В от температуры поверхности Тм (обозначени» те же, что и на рис.
9-29). Ий йп (,5 0,5 ),0 0,5 2000 2500 3000 Н 5500 4 й «д» у отметить то, что зависимость скоростц разрушения от температуры повеРхности в первом и третьем режимах испарения в разных средах почти не меняется. Это обстоятельство имеет ва)кное значение при обосновании простых инженеРных методов расчета разрушения стеклопластика в различных рпб газовых свепах.
Глава десятая ЗАЩИТА ОТ СОВМЕСТНОГ КОНВЕКТИВНОГО И РАДИАЦИОННОГ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕИСТВИ Радиационный тепловой пото~ от высокотемпературного газ< Проблема теплообмена при сверхорбнтальны~ скоростях входа в атмосферу вызвала в последни< годы многочисленные попытки детально и точи< рассчитать перенос энергии от высокотемператур ного, теплопроводного и излучающего сжатого газа Эти расчеты сопровождались экспериментальнымг', исследованиями (в ударных трубах) характеристик газов при высоких температурах. При этом потре~ бовалось одновременное использование принципоЗ квантовой механики, теории лучистого переноса тепла, физической химии и газовой динамики.
Затупленная форма спускаемых аппаратов, пер воначально выбранная нз-за меньшего нагрева ап паратов подобной формы при баллистическом вхо. де в атмосферу, теперь детально исследуется при менительно к полетам с подъемной силой, возни кающей при движении аппарата под углом атаки Особенно выгоден планирующий спуск при скоро стях входа, больших или равных второй космичс ской. Такие скорости входа являются следствиеь~ сложения скорости полета по межпланетной траек1 торин со скоростью свободного падения на ЗемлМ и могут варьироваться для рассматриваемых тра; екторий от 12 до 21 км/с.
При возвращении от Мар; са с облетом Венеры скорость входа составляет 16,3 км/с. Однако большой радиус затупления аппарат." неизбежно влечет за собой появление за ударной волной значительных по толщине сжатых слоев вы. сокотемпературного, а следовательно, и излучаю щего газа. Поэтому проблема посадки перспектнв- Защита от совместного теплового воздействия ВВВ и!4 год ных межпланетных аппаратов требует прежде всего поиска способов защиты от радиационного теплового воздействия.
Заметим, что радиационный теплообмен не есть специфическая особенность межпланетных космических аппаратов. В большинстве случаев, когда приходится иметь дело с большими массами плотного и высокотемпературного газа, лучистый тепловой поток может быть сравним или даже превосходить конвективный. Так, по оценкам работы )Л. 10-9] уже при температуре 3000 К и давлении порядка (20 —:40) 10' Па излучение паров воды в камере сгорания приводит к увеличению суммарного теплового воздействия на 10 — 30%. Если учесть, что плотность газа в высокотемпературных устройствах может быть намного выше, а его суммарная степень черноты существенно возрастает при появлении различных примесей (сажи или других твердых частиц), то нетрудно понять, что проблема радиационного переноса тепла в таких агрегатах может оказаться более серьезной, чем при внешнем обтекании.
Тем не менее, учитывая прогресс, достигнутый за послсднис годы в исследовании излучающего сжатого слоя газа над поверхностью затупленных тел, данная глава посвящена в основном решению первой проблемы. Конвективный н радиационный тепловые потоки зависят от скорости полета аппарата неодинаково. Если при скоростях )г менее 7 км/с радиационный тепловой поток к поверхности спускаемого аппарата, имеющего радиус кривизны 4,6 м, пренебрежимо мал по сравнению с конвекВз вйг/ме !0 тивным, то при увеличении скорости Ч вдвое положение кардинально меняется ! (рнс. 10-1). При высоких скоростях полета затупленного тела радиационный тепловой поток к его поверхности становится домнни- В!3 рующим в тепловом балансе.
Очевидно, этот вывод зависит от радиуса затуплення тела; 2 с уменьшением радиуса гс радиационный тепловой поток должен уменьшаться пропорционально уменьшению толщины удар- !В! ч ного слоя (гл. 1). На рнс. 10-2 представлены результаты !В численных расчетов интенсивности теплообмена в высокотемпературном газовом потоке к телам различных размеров. Обращает на себя внимание принципиально разное влияние радиуса кривизны тела )с на конвектнвный и радиационный теплообмен. Если логарифм конвективного теплового потока 1дде при всех рассмотренных температурах заторможенного газо- вого потока практически линейно убывает с увеличением логарифма Радиационный тепловой поток радиуса )с, то зависимость логарифма радиационного теплового поток; !д()н от этого же параметра можно приближенно считать линейно! лишь при малых Т,.
Это связано с увеличением оптической толщина сжатого слоя газа и с ростом эффекта самопоглощення. Как и конвективный тепловой поток при ламинарном погранично» слое, радиационный тепловой поток на неразрушающейся поверхност( достигает своего максимального значения в окрестности точки торм~ жения. Поэтому подавляющее большинство опубликованных работ, пс~ священных лучисто-конвективному тепловому воздействию в высокотеМ пературном или высокоскоростном газовом потоке, относится именно, точке торможения затупленного тела.
Немаловажно и то, что в это( области расчетные модели базируются на уравнениях, которые допус кают пяд важных упрощений. Это прежде всего допущение о ламииар ности течения в пограничном слое и, что особенно важно для анализ лучистого переноса тепла, допущение о том, что сжатый слой газа мож ио принять полубесконечным и плоскопараллельным. Условие симметри1 течения относительно оси тела позволяет ввести в уравнения сохране Рнс. 16-2. Зависимость конвектнвиого (о1 н лучистого (62 тепловмх потоков от радиуса кривизны а в окрестности точки торможение сферического тела прн различных температурах заторможенного потока Тг (л.
10.4Ь 1 — Т 6600 К; 2 — 96Ю К; У вЂ” 12 000 К; 4 — 15 000 К. а — в м, гк и е Š— в квт/ит. а 4,0 4,0 3,0 з,ь 2,0 3,0 1,0 О,Ь ' -(Л -О,Ь О,Ь б) а) ния количества движения и энергии автомодельные независимые переменные и тем самым облегчить решение задачи. Современные теоретические исследования излучающего сжатом слоя можно, вообще говоря, разбить на несколько категорий, исходя из заложенной в них модели переноса излучения. При использовании моч Защита от совместного теплового воздействии дели прозрачного газа предполагается, что элементы газа излучают, но не поглощают энергию (рис. 10-3, а). Другая модель учитывает, что элементы газового объема не только излучают, но и поглощают часть лучистой энергии, испускаемой соседними элементами сжатого слоя (рис.
10-3, б). Влияние самопоглощения для серого газа (когда принят постоянный для всех длин волн коэффициент поглощения) оказывается существенно иным, чем для несерого, селективно поглощающего газа. Численные расчеты показали, что даже в инженерной практике обязательно следует учитывать зависимость коэффициента поглощения от длины волны. Это связано с тем, что введение некоторого среднего коэффициента поглощения (например, осреднение по Планку) приводит к большим погрешностям в оптической толщине сжатого слоя. Указанные три модели излучающего слоя подразделяются далее в зависимости от характера учета взаимодействия поля течения газа с лучистым переносом энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
