Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Эти нагреватели обеспечивают при непрерывной работе получение газа давлением от 10а до 10т Па при уровне энтальпии газового потока от 4000 до 200000 кДж/кг. При этом тепловой поток к моделям может достигать 0,1 — 5 кВт/см' и более. Остановимся на некоторых слабых сторонах электродугового нагрева газа. Газовый поток загрязняется продуктами эрозии электродов (концентрация загрязнений достигает нескольких десятых процента). Диаметр полученных струй на сегодняшний день недостаточен, а нх параметры неоднородны.
В струе имеют место пульсации температуры, плотности, скорости и др., распределение этих параметров по сечению потока недостаточно хорошее. Но, несмотря на это, газодинамические Методы измерений параметров установки с электродуговым подогревом являются в настоящее времн наиболее подходящими для экспериментального изучения процесса раз рушения теплозащитных материалов. Более полные сведения об установках с электродуговым нагревом можно найти в (Л.11-1 — 11-7). Для испытаний материалов может также применяться ударная тру ба непрерывного действия. Установка представляет собой вращающеес устройство (ротор) с несколькими ударными трубами, из которых го рячий сжатый газ поступает в коллектор (ресивер или камеру), а отту да в сопло.
При высоких давлениях в камере этой установки (д 10' Па) воздух нагревается всего лишь до температуры 3500 1Л. 11-14). Широкого распространения установки такого типа не по лучили. Для изучения прогрева теплозащитных материалов используются установки с радиационным нагревом, где в качестве источника высокой температуры применяются угольные дуги, мощные ксеноновые лампы и даже энергия солнца (гелиоустановки).
Для изучения влияния разрушения поверхностного слоя на газоди. намические характеристики обтекания тела проводят эксперименты с легкосублимирующими моделями, выбрасываемыми навстречу потоку из баллистических пушек. Время полета моделей составляет обычно ! — 10 мс, хотя при скоростях полета от 9 до 12 км)с уровень тепловогс воздействия может быть достаточно высок. Методы измерений параметров высокотемпературного газового потока Ценность экспериментальных результатов, возможность использова. ния их прп расчете реальных конструкций и для сравнения с тео.
ретическимн расчетами в большой степени зависят от точности и на дежностп методов измерения параметров высокотемпературного пото ка газа. Одним нз основных параметров набегающей среды является энталь пня. Существует несколько методов измерения энтальпии. Обычно опре, деляют среднемассовые значения энтальпии для всей рабочей среды~ Наиболее точным является газодинамический метод измерения энталь пии или метод истечения через критическое сечение 1Л. 11-2). Допустим, что течение в сопле является одномерным и изоэнтропи ческим, тогда энтальпию торможения можно выразить через давление торможения, массовый расход и площадь критического сечения сопла Графически эта зависимость для воздуха при температурах от 2000 дс 8000 К представлена на рис.
11-2. Аналогичные зависимости можно рас считать для газовой среды любого состава. Таким образом, измеряя давление торможения в камере подогрева теля, зная массовый расход газа и площадь критического сечения, апре деляют среднее значение энтальпии торможения потока. Следует отме Методы экспериментального исследовании теплозан(итнык материалов тить, что при использовании этого метода требуется, чтобы коэффициент расхода сопла был примерно равен 1.
В тех конструкциях электродуговых подогревателей, где горячий газ поступает в сопло, имея тангенциальную составляющую скорости, величина коэффициента расхода сопла для нагретого газа неизвестна и может заметно отличаться от 1. Исследования полной энергии газа в таких подогревателях можно производить с помощью специального калориметра (рис. 11-3). Иногда среднемассовая энтальпия струи определяется как разность общей мощности подогревателя и суммарных потерь в охлаждаемые элементы и сопло подогревателя, деленная на массовый расход газа.
Наиболее точным методом определения среднемассовой энтальпии и ее профиля в заторможенном потоке является измерение с помощью энтальпиемера [Л. 11-1 и 11-81 (рис. 11-4, а), представляющего по сути дела датчик измерения стационарного теплового потока от струйки газа с известным расходом, попадающей внутрь трубки. Энтальпия определяется простым калориметрическим балансом тепла. Если известно приращение температуры воды внутри охлаждаемого калориметра, то. энтальпия газа на входе связана с энтальпией на выходе: Рнс.
11-т. Зависимость внтальянн тоР- можеяня воздуха 1 (кдж)кг) от давлеяяя торможения рэ (Па) н удельного Расхода через критическое сечение 1 соила бган (кг)(м'с пан. Ро зд 9,9 2,6 1, ,7 1,9 ),9 2,0 ~О = ~нам+ рЧо1~ Гдс Чсс Сябв(Т) — ТЗ)(р — тЕПЛОВОй ПОТОК К ВНутрЕННЕй ПОВЕрХНОСтИ з)в трубки, кВт/мз) г" — площадь, мз. Методы измерений параметров Рис. 11-3. Схема калориметрирова.
аня истекающей струи с помощью охлаждаемого насадка. 1 — катод; 2 — анод; 3 — магнитная катушка; 4 — камера; б — звуковое сопло; б — калориметр. Рис. 11-4. Схема ентальпиемера н распределение параметров по сечению струн. а — энтальпнемеры: 1 — набегающей поток; 2 — термопара; 3 — газ к расходомеру; 4 в термопары для измерения подогрева воды; б — под. вод и сток воды; б — эитальпиемер, молелнруюший Форму аспытываемого образца; б — проеили температуры для подогревателя с боковым (б) и осевым (7) выходом струи; Те — температура на осн струи, г — радиус ядра струи. зва'ве а а) ~ б)й~ 2 ),0 0,0 0,0 б б Рис. 11-3. Схема васадка для измерения эитальпни потока гаэодина. мнческнм методом.
1 — мерное сапло; 2 — камера; 2 — мерное сопло; 4- камера; 3 — эжектор. Для измерения энтальпнн потока в дозвуковой струе можно также использовать газодннамнческнй метод, применяя специальный насадок, схема устройства н установка в поток которого показаны на рнс. 11-51 Струйка газа нз потока поступает в мерное, охлаждаемое водой соп~ ло 1. Из сопла газ попадает в камеру 2, где охлаждается до температу оды экспериментального исследования теплозащитиых материалов Рис. 11-6. Сравнение результатов измерения эитальпии торможения газодинамическим (рис. 11-2) и калориметрическим !рис.
11-3) методами при следующих пред. положенная. ! — эффективная пла!падь критического сечения Рк равна геометрической площади; 2 — Р горячей струи соответствует Р «алоднай струи; 3 — результаты измерения при изменении уровня закрутки и турйулнзапнн потока )л. 11ли «Дн/«г гзооо 0900 ры, близкой к стандартной. На выходе из камеры установлено второе мерноесопло8. Разрежение в камере создается эжектором 5. Режим работы эжектора выбирается таким, чтобы при заданных размерах диаметров критических сечений сопл перепад давлений на каждом сопле обеспечивал звуковое течение газа.
Величина перепадов давлений на соплах контролируется измерением давлений в камерах 2 и 4. По результатам измерений определяется массовый расход газа через критическое сечение. Зная полное давление газа в потоке, определяют энтальпию торможения потока. Иногда энтальпию определяют по конвектнвному тепловому потоку к охлаждаемому водой калориметру, устанавливаемому в мерном участке струи. Обычно величину энтальпии рассчитывают, используя соотношение Фея и Риддела 1Л. 2-71 для конвективного теплового потока.
Поскольку на величину теплового потока существенное влияние могут оказывать такие факторы, как распределение давлений по стенке модели, степень турбулентности набегающего потока, каталитичность поверхности, то к этому методу следует прибегать лишь тогда, когда хорошо известно и оценено влияние всех указанных факторов. Некоторые исследователи уделяли недостаточно внимания точности оп. ределения энтальпии заторможенного потока. Насколько велики могут быть различия при измерениях несколькими азад независимыми методами показано на , и ) рис. !1-б. При использовании газодинамического метода основной вклад в по- 3 грешность измерения вносит предположение о том, что коэффициент расхода сопла при наличии тангенциальной составляющей скорости (закрутке) равен единице.
Иными словами, как вид- аоОО но из рис. 11-6, применительно к таким г схемам электродуговых нагревателей никак нельзя принимать эффективную гзоо плошадь критического сечения сопла о,и гЗ00 3000 ОООО Огое )ЗОБО«Д,)и, РаВНОй ЕГО ГЕОМЕтРИЧЕСКОй ПЛОЩаДИ. Как было показано в гл. 3, при не- стационарном прогреве и разрушении теплозащитных покрытий, определяющее значение имеет абсолютная величина и характер изменения со временем конвективного или лучистого теплового потока, Конвективный тепловой поток, кроме того, характеризует также уровень массообмена в силу аналогии между коэффициентами теплообмепа (сс/ср) н массообмена р, который является Методы измерений параметро О.4 важнейшей характеристикой внешних условий при рассмотрении хим( чески активных или сублимирующих покрытий.
Наконец, при анализе процессов разрушения важно учесть свяа теплового потока и трения (аналогия Рейнольдса), которая позволяй оценить уровень силового воздействия на пленку расплава стеклообра! ных покрытий. Все перечисленное показывает, насколько важно разработать мет ды измерения конвективного (или лучистого) теплового потока, котор21 имели бы приемлемую точность в условиях обтекания высокотемпер~ турными илн высокоскоростными газовыми потоками.
Измерение конвективного теплового потока в окрестности точки то( можения осеснмметричной модели, обтекаемой дозвуковой или свер1 звуковой струей, проводится по методу стационарного калориметра ил экспоненциальным методом (см. ниже). Полученные данные по велг чинам тепловых потоков целесообразно сравнить с результатами теор~ тического расчета 1формула (2-21)1. При атом особое внимание следует обращать на величину безраг мерного градиента скорости в районе точки торможения, который вх< дит в формулу (2-21): Исследования показывают, что велцчина 8 в дозвуковых струях зависит от соотношения между диаметром мо- ОО дели О( н диаметром сопла Р, равного начальному диаметру струи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
