Определение теплового состояния теплозащитных покрытий с помощью модели разрушения в высокоинтенсивных тепловых потоках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение теплового состояния теплозащитных покрытий с помощью модели разрушения в высокоинтенсивных тепловых потоках

В.А. Дуреев, к.т.н., старший преподаватель УГЗУ

А.Н. Литвяк, к.т.н., доцент УГЗУ

М.Н. Мурин, старший преподаватель УГЗУ

Рассмотрены процессы, протекающие в теплозащитных покрытиях при тепловом механизме разрушения, с поверхностным уносом массы. Представлена модель определения теплового состояния теплозащиты с учетом физико-химических изменений материала на стационарном режиме разрушения

Необходимость в тепловой защите возникает в тех случаях, когда незащищенный конструктивный элемент под действием тепловых потоков (ТП) неминуемо должен разрушиться. В качестве защиты таких элементов от тепловых потоков предлагается использовать теплозащитные материалы. В зависимости от конкретных условий, могут быть реализованы различные методы тепловой защиты с использованием разрушающихся и неразрушающихся теплозащитных покрытий (ТЗП) [1, 2]. Большинство ТЗП являются композиционными. Процессы, проходящие в ТЗП при нагреве, связаны с рядом физико-химических превращений отдельных составляющих материала и носят сложный характер, что требует всестороннего рассмотрения и анализа.

Аналитическое определение теплового состояния защитного покрытия позволяет отразить влияние различных факторов, оценить их значимость, выделить главные из них. Опишем основные этапы теплового разрушения ТЗП (рисунок 1).

При повышении температуры ТЗП до 400єК, происходит дегидратация ТЗП - выделение адсорбционной влаги. При дальнейшем повышении температуры до величины Т 600єК, на поверхности и в прилегающем объеме материала начинается термическая деструкция связующего.

Прогрев материала, обусловленный теплопроводностью, приводит к пиролизу связующего и сопровождается выделением большого количества газов. Образующиеся под поверхностью газы выходят наружу через поры и трещины, способствуя охлаждению разрушающегося каркаса-наполнителя.

При достижении температуры плавления, на поверхности материала может образоваться пленка расплава, которая в зависимости от условий воздействия тепла, может быть значительной. Из-за пленки расплава, передача тепла в более глубокие слои материала замедляется. Это связано с тем, что расплав является дополнительной прослойкой, а также тем, что расплав обладает большим коэффициентом отражения, чем исходный материал.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Модель разрушения ТЗП:

1- облако продуктов разрушения; 2 - пленка расплава;

3 - прококсованный слой; 4 - зона деструкции; 5 - исходное ТЗП

теплозащитный покрытие разрушение

При дальнейшем нагреве поверхности, начинается испарение материала, которое в некоторых случаях может являться определяющим механизмом разрушения. В случае продвижения фронта испарения вглубь материала, разрушение затрагивает все новые слои и описанная картина разрушения повторяется [1].

Из представленной модели разрушения ТЗП видно, что поступающий на поверхность материала ТП расхо -дуется на разрушение материала, излучение с нагретой поверхности и частично блокируется тепловым эффектом вдува, связанным с отводом тепла набегающим потоком газов и поглощением в парах испаряющегося ТЗП.

Рассмотрим данную модель в линейной постановке, полагая, что процесс теплового воздействия принял стационарный вид [1, 2]. При постоянных теплофизических свойствах, отсутствии физико-химических превращений в толще материала и на его поверхности, температурное поле в ТЗП описывается с помощью классического уравнения теплопроводности [3]:

, (1)

где: Т - текущая температура, [К]; - время разрушения материала, [с]; z - координата, [м]; а - температуропроводность ТЗП [м2/с].

Введем в (1) подвижную систему координат с координатой (м), перемещающуюся вглубь ТЗП со скоростью разрушения VS:

; ; (2)

Учтем в уравнении (1) наличие внутренних физико-химических превращений. В этом случае появляется дополнительный конвективный член, , физически соответствующий переносу тепла за счет поступления в данный элементарный объем единичной массы твердого вещества со скоростью, равной скорости разрушения VS [2]. Аналогично, фильтрующиеся через пористый каркас газообразные продукты разложения должны поглощать количество тепла, пропорциональное , тем самым появляется дополнительный конвективный член. Также появится объемный сток тепла Q* [Вт/м3], обусловленный тепловым эффектом физико-химических превращений. Суммируя перечисленное выше, учитывая преобразования (2) получим уравнение сохранения энергии внутри разрушающегося ТЗП:

, (3)

где: - эквивалентный коэффициент теплопроводности ТЗП, [Вт/мК]; - эквивалентные плотность [кг/м3] и теплоемкость [Дж/кгК] ТЗП; сg - эквивалентная теплоемкость газообразных продуктов разрушения, [Дж/кгК]; Gg - расход газа, выделившегося при физико-химических превращениях, [кг/м2с].

Уравнение (3) является основным в математической модели разрушения ТЗП под действием интенсивных тепловых потоков, в условиях, когда основным механизмом разрушения защитного материала является поверхностный унос.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита/ Под ред. А. В. Лыкова. - М. : Энергия. - 1976. - 392 с.

2. Сендерович Р. Б., Первушин Ю. С. К определению теплофизических характеристик композиционных полимерных материалов// Инженерно-физический журнал. - 1985. - Т. 49. - № 6. - С. 982- 988.

3. Лыков А.В. Тепломассообмен. - М.: Энергия, 1972.

Размещено на Allbest.ru