Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 69
Текст из файла (страница 69)
д. Важнейшим параметром, характеризующим и определяющим различные кинетические процессы на разрушающейся поверхности, является ее температура Т„. Знание ее также необходимо для пересчета результатов измерения с помощью калориметра тепловых потоков на условия разрушающихся теплозащитных материалов.
Температуру разрушающейся поверхности для некоторых материалов удается измерить с помощью микротермопар, заделанных внутри покрытия и выходящих на поверхность при уносе вышележащего слоя. Представленные в виде зависимости безразмерной скорости разрушения от температуры Т„'результаты экспериментов позволяют установить внутренние закономерности процесса. Методы экспериментального исследования теплозащитных материалов На рис.
11-11 показана связь скорости уноса массы типичного коксующегося материала от температуры поверхности и химического состава набегающего потока. Видно, что увеличение содержания кислорода в набегающем потоке существенно увеличивает унос массы, особенно при росте температуры. В работе 1Л. 11-121 экспериментально установлено, что скорость уноса массы материалов является функцией температуры независимо от способа подвода тепла — конвективного, радиационного или совместного.
К тыльной стороне модели могут быть подведены электроды термопар и установлены калориметры для определения изоляционных свойств покрытия, т.е. количества проходящего через прогретый слой тепла. По данным крупномасштабной съемки можно судить также о механизме разрушения исследуемого материала, степени покрытия его поверхности пленкой расплава н т.д. Независимо от первоначальной кон- Рнс. 11-П. Влнинне химического состава набегнющего потока и тем- пературы повеРхности нв скорость упоев массы типичного коксующего- сн теплазащвтного материала. 1 — аргон; 2 — азот; У вЂ” воздух; 4 — кислород.
Рнс. !1-12. Влниние бармы торна образна ки при сверхзвуковом обтекании. лх б=2Ь; я=о~о; а — скорость звука. кр на градиент скорости Гйем с-Па' ! 2 3,5 30 1,2 $,0 !3 0,3 7,3 0,3 0 2200 2400 ИОО 2300 К 3000 фигурацин при установлении квазистационарного режима разрушения торец образца принимает постоянную форму. В зависимости от соотношения диаметров образца и сопла, теплофизических и других свойств материала она может быть различной; плоской, полусферической, эл- 323 липсоидной с отношением полуосей примерно до 2 и др. (рис.
11-!О,л). Оптические из Знание формы поверхности образца необходимо для учета ее влия пня па тепловой поток, которое проявляется чеРез градиент скорост Р=с(и,,/йх (рис. 11-12). Таким образом, форма и диаметр модели опре делают градиент скорости на ее поверхности. Поэтому калориметр дол жен иметь ту же самую форму и размеры, как и Разрушающаяс модель.
При испытаниях в дозвуковой струе, когда с(()З, образец мо жет приобрести при разрушении сложную форму передней част (рис. ! 1-!О). Появление «шейки» на боковой поверхности связан с присоединением потока после разворота в угловой точке. Это вызыва ет увеличение местной скорости уноса массы, которая пропорциональн локальному коэффициенту теплообмена.
При турбулентном режиме течения в пограничном слое над моделью ее поверхность в процессе разрушения приобретает свои отличительные особенности (рис. 11-10 поз. !9). Результаты экспериментальных исследований теплозашитных мате' риалов в режиме квазистационарного разрушения обычно представляюз да — еаТ~~ в виде зависимостей: 6 =11(1,, рс) (рис.
6-! 1), тефф= =!",(Ус) (рис. 6-12) или Ч /до=(з(6,„) (рис. 6-13). В условиях нестационарного разрушения эти зависимости не могу. служить характеристиками теплозащитного материала. Измерени внутренних температур позволяет в этом случае получить сведени о теплофизических свойствах материала и кинетнке гетерогенных физи ко-химических превращений. При сравнительных испытаниях использу ют критерий эффективности, равный весу теплозащитного покрытия необходимому для поддержания температуры конструкционного ело на заданном уровне (например, 400К) и отнесенному к единице пло' щади поверхности.
При этом неважно, за счет чего эта эффективност достигается — за счет минимального разрушения или же за счет хоро ших теплоизолирующих свойств. Оптические измерения параметров теплозащитных материалов! Измерение температуры разрушающейся поверхности оптическимт( методами имеет следующие отличительные особенности: образец нахо~ дится в горячей струе, которая может испускать и поглощать излуче. пие; на поверхности моделей существует пограничный слой, в котором присутствуют пары разрушающегося материала, которые также пспу~ скают и поглощают излучение. Поэтому, прежде чем приступать к измерениям температуры моде лей, необходимо иметь данные о спектре пропускания струи, а такж о спектре излучения паров в пограничном слое.
Это позволит найт окна прозрачности, т.е, спектральные интервалы, где интенсивност Методы экспериментального исследовании теплоэапгитнык материалов излучения н поглощения пограничного слоя и самой струи малы и где можно надежно измерять температуру поверхности модели. Среди оптических методов определения температуры поверхности наиболее распространенными являются яркостный и цветовой методы. Эти методы хорошо разработаны !Л.
! 1-!5 — 11-191 и успешно применяются для измерений температуры образцов теплозащитных материалов в электродуговых установках 1Л. 11-131. Яркостный метод основан на измерении яркостной температуры поверхности образца Ти в монохроматическом свете с длиной волны )л Т,„=Т,. Яркостная температура образца есть температура абсолютно черного тела, имеющего при длине волны Х такую же спектральную яркость, как н изучаемый образец. Отсюда ясно, что Тп будет отличаться от истинной температуры Т в силу закона Планка (см. 3 1-4): В, (Т) = е, Во (Т) = Хь [елр гэ ДХТ) — !1 ' (11-1) тем больше, чем сильнее спектральная степень черноты образца ек (Х, Т) =е, отличается от единицы.
В табл. 11-1 приведены зависимости яркостной температуры Т, от Л и е в диапазоне Т=!800 —;ЗОООК, рассчитанные по формуле: Т ' =Т„'+ — !пе,. са (11-2) Эта формула вытекает из закона Вина для излучения нечерных тел: о — 5 г се~ Вх = елВх = еле~ А ехр~ — — '1, хт)' (! 1-3) сэ где В =с,).-е ехр ( — — '); В н В' — соответственно спектральные яркости излучения нечерного тела (образца) и абсолютно черного тела; 7' — истинная температура; с,=3,7.10-м Вт см' н ст — — 14 380 мкм.К— пирометрические константы. Использование более удобной для расчетов формулы Вина (11-2) вместо формулы Планка (11-1) оправдано на коротковолновой стороне кривой спектрального распределения Планка, где стЬТ~)1 (прн Т( ~(3000 К и )ь(! мкм), Из табл.
11-1 видно, что ошибка в определении истинной температуры, обусловленная неопределенностью ех образца, уменьшается при смещении измерений Т, в область коротких длин волн. С уменьшением длины волны становится минимальной погрешность в определении самой величины Т„, так как т „Т (11-4) !30 Т Вк се Оптические из4 Из этого уравнения следует, что при ошибке в измерении спектраль4 ной яркости 7!В !Вл -— -Зо!о яркостная температура определяется с точноз стью до 0,3о(о (пРи Л(! мкм).
Если ел)0,5 н Л=О,З вЂ”:0,5 мкм, то по яркостной температуре можно! с достаточной точностью судить о величине истинной температуры раз.( рушения образца. Под цветовой температурой образца понимают такую температуру абсолютно черного тела, при которой оно на длинах волн Л! н Лт имеет отношение спектральных яркостей (Во /Вло ) такое же, как и образец (В,,!В,,). т а б л и ц а 11-1, Яркостнап температура образца при различных истинных температурах Т, длинах волн Л и степени черноты ех т,к М мам е!„ озо ( 045 ( ого ! 100 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 1700 1741 1766 1786 !800 1872 1928 1956 1980 2050 2110 2145 2180 2220 2300 2340 2380 2390 2480 2530 2570 2560 2660 2720 2770 2725 2840 2910 2965 !653 !712 1750 !780 1800 1820 !892 1940 1972 !990 2070 2120 2160 2140 2250 2310 2360 2300 2420 2500 2560 2455 2595 2680 2750 2610 2770 2865 2940 1590 !675 1730 1770 !800 1744 !845 !9!О 1960 !890 2010 2090 2!50 2040 2180 2280 2345 2140 2345 2460 2540 2320 2510 2630 2720 2460 2665 2805 2920 !500 1620 1695 1753 1800 1634 !774 1866 1940 !762 1930 2040 2125 1892 2080 2215 2320 2010 2230 2385 2500 2130 2380 2545 2680 2245 2520 2710 2870 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,2 0,4 О,б 0,8 0,2 0,4 О,б 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 О,б 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 Методы зкспернментального исследования теплозащнтных материалов Соотношение, связывающее истинную температуру тела с цветовой, имеет в пределах применимости формулы Вина следующий вид: (11-5) ай Ьт~~ lг (11-6) где /О=Вх/Вх --отношение спектральных яркостей излучения образца для выбранных длин волн 7'3 и 79.
Та блиц а 11-2. Цветовая температура образца Та, при различных значениях истинной темгературы Т и отношения степени черноты е Х /ек для красно-синего диапазона спектра 0,90 ) 0,995 ) 0,95 / 0,975 1 3,000 / 1,015 ) 1,0 О 1 3,075 1 1,10 !800 1840 2000 2045 2200 2250 2400 2470 2600 2680 2800 2900 3000 3110 332 1778 1770 1970 Ш60 2160 2150 2360 2350 2550 2540 2740 2720 2940 2920 1830 )820 2035 2020 2240 2220 2450 2440 2660 2640 2865 2840 3080 3050 !810 1800 2010 2000 2210 2200 2420 2400 2620 2600 2820 2800 3025 3000 1790 1785 1990 !980 2!85 2180 2390 2370 2585 2570 2780 2765 2980 2960 Отсюда видно, что Тпв отличается от Т тем больше, чем больше отношение (е /а ) отличается от единицы. Случай а / а =1 соответствует так называемому «серому телу» или участку «серого» излучения, для которых, как следует из (11-5), Т=Тц,.
В табл. 11-2 приведены значения цветовой температуры в зависимости от Т и отношения е /ах, вычисленные по формуле (11-5) для случая 13=0,66 мкм и ах=0,46 мкм (т. е. для красно-синего «отношення»). Если 0,95(ех/е (1,05 (практически это соотношение соблюдается у большинства существующих материалов для указанных 7.1 и лз), то Тцв начинает заметно (на 40 — 50 К) отличаться от Т только при температурах 3000 К и выше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
