Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Поэтому для сравнительной оценки покрытий удобнее использовать эффективную теплоту абляции г.„„ Ча овал ява ав— (16. 7) где а)а — плотность теплового потока от горячего газа к поверхности, находящейся при температуре абляции, но в условиях, когда абляции нет, Если в процессе абляции паро-и газообразных продуктов не получается, то гав — г,.
Следует заметить, что эффективная теплота абляции влияет на скорость уноса материала, но она не определяет однозначно качество аблирующего покрыл ия. Не менее важной характеристикой такого покрытия является коэффициент теплопроводности. При большом коэффициенте теплопроводности покрытия большие потоки теплоты передаются в конструкцию, что приведет к быстрому ее разогреву. " Результирующий поток энергии излучения может иметь и обратное направление. еув Рассмотрим методику определения скорости уноса покрытия в предположении, что абляция протекает в стационарных условиях (и = сопз1), а фазовые и химические превращения на поверхности раздела фаз происходят в слое пренебрежимо малой толщины.
Плотность массового потока аблирующего вещества определяют по формуле да =р,и. (16.8) С учетом этого выражения из формулы (!6.6) видно, что скорость уноса покрытия, кроме характеристик покрытия г, и р„, зависит от плотностей тепловых потоков д, д„к„ и д,„. Тепловой поток дк„ определяетсяк коэффициентом теплопроводности и температурным полем покрытия. В неподвижной системе координат при и = сопз1 температура покрытия в фиксированной точке изменяется во времени. Поэтому для отыскания температурного поля в покрытии при одномерной постановке задачи необходимо исходить из уравнения (4.10). Введем подвижную систему координат, которая перемещается в глубь покрытия со скоростью уноса и.
В этой системе нормальная к по. верхности координата $ определяется выражением (16.9) Из этого выражения легко найти Оэ дк 1 дквп, дт дк' дик д1 д1 дй д1 — — — — — и— дт д$ дт д$ Подставив эти выражения в (4.10), получим д'С дС а„—,= — и— "дзк д»' (16.10) В принятой системе координат температура не зависит от времени, поэтому уравнение (16.10) можно записать в полных производных (16. 11) дзк а„Ж: Решение этого уравнения имеет вид к — — ь Е=С,+С е 'к (16.12) 471 При $ = оо 1 = 1 „ следовательно, С, = )щ., при $ = 0 1 = Г и потому С, = 1„ — 1„,. Здесь 1м — температура аблирующей поверхности; 1„, — первоначальная температура стенки. (16.13) Температурный градиент на аблирующей поверхности (16.14) Тепловой поток, отводящийся внутрь покрытия, равен 7д7 ~ (16 15) Подстановка этого выражения в формулу (16.6) с учетом (16.8) и выражений для д и д„р, дает баланс теплоты — (1„— I,„) — еррС,~( — ") — ( — 7) ~ = = д, '(г, + с„(1„— 1„)).
(16.16) В этом выражении коэффициент теплоотдачи зависит от потока пара или газа д*, вдуваемого в пограничный слой, и определяется по методике, рассмотренной в З 4 гл, ХП, Плотность массового потока д* в общем случае определяется формулой К = 7Ка. (16. 17) где <р — степень газификации, равная отношению расхода пара или газа к общему расходу вещества покрытия. Для различных механизмов абляции рр = 0 — 1, Методика определения скорости уноса на основе выражения (16.!6) зависит от механизма абляции.
Если покрытие в процессе взаимодействия с горячим газом сублимирует, то ~р = 1, а равновесная температура поверхности 1 определяется графическим решением уравнения (16.16) по методике, рассмотренной в З 5 гл. Х П, На основе этого решения определяется 1,„, концентрация паров у поверхности С„и коэффициент массоотдачи й„а следовательно, расход аблирующего вещества д," (по формуле (12.31)1 и скорость уноса и (из формулы (16.8)1.
В рассматриваемом случае теплота абляции равна теплоте сублимации. Значительной теплотой сублимации обладают некоторые органические вещества (нафталин, камфарз), минеральные соли и др. Например, хлористый аммоний имеет теплоту сублимации 4159 кджйг. Аналогичная методика может быть использована для расчета уноса покрытий, взаимодействие которых с горячим потоком газа сопровождается химическими реакциями с образованием газообразных продуктов. 472 Подстановка констант интегрирования в выражение (16.12) дает и — — Ф 1 — 1,=(1„— 1„) е При использовании оплавляющихся покрытий на поверхности покрытия образуется вязкая пленка расплава, которая течет вдоль тела под воздействием омывающего стенку газового потока.
При отсутствии испарения ср = О. Теплота передается к месту плавления через оплавленный слой, поэтому температура поверхности пленки выше температуры плавления. Следовательно, подведенная к поверхности тела теплота частично компенсирует теплоту плавления и передается внутрь покрытия. а частично расходуется на увеличение энтальпии пленки, которая сдувается газовым потоком с тела.
Скорость уноса покрытия при оплавлении можно определить из уравнения (16.16) При отсутствии испарения и линейном распределении температуры по толщине пленки г, =г„„+с ( ' — г',), (16.19) 473 где г„, — теплота плавления; с — теплоемкость расплава; г', — температура плавления; à — температура поверхности пленки. Из формулы (16.18) видно, что с увеличением температуры поверхности пленки скорость уноса уменьшается. Однако эта температура не может быть выбрана произвольно — она определяется условиями движения пленки и ее теплопроводностью!71.
Чем больше вязкость и меньше теплопроводность расплава, тем выше температура Г„„тем больше г, и меньше и. Теплота плавления материалов невелика, Поэтому и теплота абляции оплавляющихся покрытий имеет небольшие значения. Эффективность покрытия значительно возрастает, если взаимодействие пленки с горячим потоком газа сопровождается испарением или разложением расплава, в результате которого уменьшается тепловой поток к поверхности покрытия и увеличивается эффективная теплота абляции. Даже испарение нескольких процентов расплава может привести к многократному уменьшению скорости уноса. В качестве оплавляющихся покрытий могут использоваться стекловидные материалы, которые имеют хорошие термоупругие характеристики, небольшую теплопроводность в жидком состоянии, большую вязкость и теплоту испарения (скрытой теплоты плавления эти материалы не имеют), а также пластмассы, армированные стекловолокном или стеклотканью.
Защитный эффект может быть также основан на обугливании поверхностного слоя материала покрытия. Обугленный слой выполняет роль теплоизолятора, через который в пограничный слой горячего газа вдуваются газообразные продукты химических реакций, протекающих на внутренней стороне обугленного слоя. Обу- гленный слой состоит в основном из углерода, который при низких давлениях может сублимировать. Таким образом, кроме теплоизолирующего эффекта самого слоя, происходит уменьшение тепло- подвода к поверхности вследствие вдувания газа в пограничный слой. Покрытие, которое обугливается в процессе работы, выполняют из смол и других органических веществ.
Тугоплавкие, оплавляющиеся, сублимирующие и газифицирующиеся покрытия находят широкое применение в ракетной технике для зашиты наружных поверхностей ракет от разрушения при входе их в плотные слои атмосферы. Эти покрытия применяются также для защиты внутренних поверхностей ракетного двигателя твердого топлива. Чтобы критическая часть сопла не изменяла своих размеров во время работы двигателя, ее выполняют из тугоплавкого материала, а остальные поверхности покрывают оплавляюшимися, сублимируюшими или газифицирующимися покрытиями. $ 4, Система пористого охлаждения Схема пористого ох,таждения показана нз рис.
16.2. Омываемая горячим газом стенка выполнена из пористого материала; через нее в направлении горячего газа продавливается охладитель — газ или жидкость. При использовании в качестве охладителя газа охлаждение называют зффузионным*, а пря использовании жидкости — конденсаптным. Проходя через поры, охладитель получает теплоту от стенки, а выйдя на поверхность, ухудшает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Таким образом, с одной стороны, затрудняются условия перехода теплоты от горячего газа к поверхности стенки, с другой стороны, получаемая стенкой теплота выносится охладителем обратно в поток. Оба эти фактора ведут к снижению температуры стенки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
