Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 68
Текст из файла (страница 68)
На процесс термического разрушения теплозащитных материалов большое влияние оказывает распределение давления на разрушающей ся поверхности. Знание его необходимо для определения силового воз. действия потока на поверхность модели. Кроме того, по измеренному распределению давления можно найти значение градиента скорост~] в окрестности точки торможения, знание которого необходимо при рас1 чете теплового потока. Вйетоды экспериментального исследования теплоэащитных материалов 11-4. Схемы установок и методы проведения экспериментов Рассмотрим основные схемы установок для проведения экспериментов по исследованию разрушения теплозащитных материалов в высокотемпературных потоках газа. Все схемы можно разбить на четыре класса: схемы для испытаний в дозвуковой струе (рис.
11-10, а, в), Рис. !1-!О. Принципиальные схемы установок для испытаний образцов теплозащнтных материалов в пото. ке нагретого газа в процессе разрушения. а — испытания в дозвуковой сво. бодно расширяющейся струе; б— разрушение образца а сверхзвуко. вой свободно истекающей струе; е — испытания в дозвуковом патоке закрытого типа; г — аэродинамиче. снан труба с электродтговым нагревам газа; д — испытание образцов в щелезых каналах !сопле-ко.
жухе1; е — испытания крупных мо. делей с поджатием горячего газа к поверхности образца холодным потоком; ж — испытания конических моделей с охлаждаемым носиком; з — испытания образцов в условиях радиационно.конвективного нагрева; и — испытания образца в анде цилиндрического канала; к — испытания модели в виде профилиро. ванного капала; л — формы торцов образцов после испытаний: 1 — опло; У вЂ” исслелуемый образец; В. 4 — следящая кинокамера; 5, б — пирометры для измерения яркостной и цветовой температуры; 7 — защитный кожух:  — термопары; У вЂ” ударная волна; 10 — охлаждаемый или разрушаю.
щнйся защитный конус; 11 — кожух! П вЂ” вывод к вакуумным насосам; 15 — газовый «кожух»; 14— эллиптическое зеркало; !5 — эллипсоид; 15 — конус с полусферическим затуплением; 17 — плоская поверх. ность с закругленной фаской; 1В— цилиндрическая поверхность со сферическим сегментом; 1Р— форма торца при разрушении в турбулентном пограничном слое. в сверхзвуковой струе (рис. ! 1-10, б, г), в щелевых каналах (рис. 11-10, д — ж), в каналах или профилированных соплах (рис. 11-!О,и, к). Кроме того, испытания в струях могут проводиться при закрытой рабочей части (азродинамическая труба) и в свободной 24 струе, истекаю!цей в атмосферу.
схемы установок и методы експерим1 Испытания в дозвуковой свободной струе по схеме на рис. 11-10,а ограничены обычно точкой торможения, причем размер модели с( может почти в 1,5 раза превышать диаметр среза сопла Р. Это объясняется особенностями распределения давления прн натекании дозвуковой струи на бесконечную пластину (см. ~ 11-3). Недостатком такой схемы является интенсивное перемешивание периферийной зоны струи с окружающей средой, что ограничивает возможность испытаний материала в различных средах.
В схеме на рис, 11-10, б требуется, чтобы давление в ресивере превышало атмосферное более чем в 1(й+1)/21""" '" раз. Тогда с помощью профнлированного сопла можно получить сверхзвуковое обтекание модели. Обычно используют сопла на числа М=2. Это позволяет избавиться от влияния державки на параметры обтекания и в то же время иметь достаточно высокое давление торможения перед моделью, а следовательно, н высокий тепловой поток.
Эксперимент организуется так же, как и в предыдущем случае. Основная область применения этой схемы — измерение квазистационариых параметров разрушения. Метод моделирования обтекания затупленных тел с помощью сопла- кожуха показан на рис. 11-10, д. Эта схема выгодно отличается тем, что практически весь горячий газ участвует в теплообмене. Благодаря этому нагревается значительная часть боковой поверхности модели, н тем самым тепловой потенциал струи из подогревателя используется значительно полнее.
Такая схема позволяет испытывать модели больших размеров, чем в предыдущих вариантах. Недостатком схем с твердыми стенками кожуха является большая чувствительность распределения давления в зазоре к уносу массы теплозащитиого покрытия. Это привело к разработке струйных «кожухов» (схема рис, 11-10,е), В данном случае внутренняя струя горячего газа прижимается к испытываемой поверхности внешним холодным потоком газа.
Влияние режима течения и сдвигающих усилий при разрушении теплозащитных материалов можно исследовать по схеме на рис. 11-10,ж. Если критическое сечение находится у основания конуса или клина, то образец испытывается дозвуковым потоком. При перемещении критического сечения в цилиндрическую часть сопла обтекание производится сверхзвуковым потоком.
При расположении критического сечения в середине конуса максимальный градиент давления вдоль поверхности составляет р//., что в 2 раза превышает градиент давления, который можно получить в первых двух случаях. Перемещения критического сечения вдоль поверхности образца можно достигнуть изменением угла раствора между образующими модели и сопла. Для сохранения в процессе испытания постоянной площади критического сечения соответствующие места в образце должны заменяться неразрушающимися охлаждаемыми медными вставками.
Испытания при течении в цилиндрических каналах (схема на рис. 11-10,и) используются, во-первых, для изучения специфики внутренних задач и, во-вторых, для получения переходного или турбулент- ы экспериментального исследования теплоэащитных материалов ного режимов течения в пограничном слое (и больших величин поверхностного трения), которых невозможно достигнуть при экспериментах в окрестности точки торможения затупленного тела. Основная трудность в проведении экспериментов по этой схеме заключается в сложности измерения текущих значений скорости перемещения поверхности раздела покрытие — газовый поток.
Если при внешнем обтекании измерение координат разрушающейся поверхности можно произвести достаточно точно, то при внутреннем режиме испытаний нужны особые приемы. Один из них — газодинамический, применяемый для определения скорости увеличения размера наиболее узкого проходного сечения (критического сечения). Для этого делается два критических сечения, в каждом из которых устанавливается скорость звука. Важно, чтобы давление в камере между этими сечениями было столь велико, что, несмотря на обгорание одного из них, расход газа оставался бы неизменным.
Давление в промежуточной камере будет при этом однозначно характеризовать плошадь поперечного сечения сопла из исследуемого разрушающегося материала: рг гтпкрл = рт гт п,р т. Второй способ связан с использованием рентгеновских лучей. Если размер втулки из теплозашитного материала позволяет получить снимок в плоскопараллельном пучке, то удается зафиксировать не только поверхность раздела, но и все зоны изменения плотности. Приведенные различные схемы иллюстрируют многообразие условий испытаний теплозащнтных материалов.
Экспериментальная установка и схема испытаний выбираются в зависимости от назначения теплозашитных покрытий и требований к ннм по продолжительности и интенсивности нагрева. Проведение испытаний на различных установках и по различным методам испытаний во многих случаях затрудняет сравнение результатов, полученных различными исследователями. Рассмотрим основные методы проведения экспериментов. Поскольку электродуговые установки не обеспечивают полного моделирования натурных условий разрушения теплозашитиых материалов, исследуется влияние на разрушение каких-либо одних важнейших параметров прн постоянстве других. Можно выделить несколько экспериментальных методов, с помощью которых выясняется влияние; энтальпии заторможенного потока, 1ге= чаг; давления заторможенного потока, р,=чаг; химического состава набегающего потока; состава материала — содержания наполнителя (связуюшего) при г'с= сопя(.
Модель для испытаний, как правило, выбирается в виде осесимметричного тела, обычно цилиндра или конуса с различной формой торца. Ввод образца в поток производится после того, как электродуговая Схемы установок в методы вкспернме установка вышла на стационарный режим работы. Модель устанавливается на определенном расстоянии от среза сопла 1. Расстояние 1 обычно не превышает нескольких диаметров сопла. Следует учитывать удобства расположения аппаратуры для измерения основных параметров теплозащитных материалов, а также необходимость обеспечения требуемых тепловых и газодинамических условий (равномерность распределения тепловых н других параметров на рабочем участке струи).
Модель устанавливается по оси струи и должна полностью находиться в набегающем потоке. Если диаметр образца меньше диаметра сопла на срезе, т. е. с(/В~1, то при этом особое значение приобретает теплоизоляция образца с боковой поверхности. Для этого используют как охлаждаемые, так и разрушающиеся конусы (рис. 11-10, в), из которых испытываемая модель должна выступать не более чем на 1 — 5 мм. При использовании охлаждаемых конусов-державок необходимо иметь следящую систему, которая по мере уноса массы подает разрушаемый торец образца в заданную плоскость и поддерживает постоянным расстояние между срезом сопла н образцом.
Для этого применяют различные оптические и рентгеновские устройства. Продолжительность испытаний определяется временем, необходимым для измерения важнейших величин в условиях квазистационарного разрушения. Отключение установки производится либо после отработки установленного периода времени, либо по показанию термопары, вмонтированной в теплоприемник на обратной поверхности модели (рис. 11-10, а). Для изучения динамики протекания различных явлений на поверхности можно использовать высокоскоростную микрокиносъемку (рис. 11-10, а). Перемещение разрушающейся поверхности также фиксируется с помощью кинокамеры, устанавливаемой в плоскости торца модели. Наблюдение за процессами на поверхности, образованием обугленного слоя, поведением пограничного слоя сильно затруднено большой яркостью излучения поверхности и пристеночного газового слоя. Необходимо использовать специальную технику съемки, применять светофильтры, голографические и рентгеновские методы измерений и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
