Учет модели пористого тела в поверхностном разрушении композиционного покрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учет модели пористого тела в поверхностном разрушении композиционного покрытия

В.А. Дуреев

Постановка проблемы. Передача тепла вглубь композиционного теплозащитного покрытия (КТЗП) при высокоинтенсивном тепловом воздействии зависит не только от состава и структуры материала, но и от характера его разрушения. Так, образование пор в поверхностном слое разрушающегося КТЗП, способно экранировать часть тепловых потоков направленных вглубь материала. В то же время, стенки пор, воспринимая энергию излучения, одновременно испускают её, внося радиационную составляющую в теплопроводность материала.

Учитывая принятую модель пористого тела, можно снизить расчетное значение прогрева КТЗП или обеспечить приоритетный механизм его разрушения. Следовательно, разработка модели теплового разрушения КТЗП связана с учетом влияния формы и размеров пор материала на тепловой баланс покрытия.

Таким образом, существует проблема улучшения технических данных теплозащитных покрытий.

Анализ последних исследований и публикаций. В [1] пористый материал рассмотрен как система, состоящая из чередующихся между собой плоских слоев твердого и газообразного вещества. Рассмотрены два предельных случая: тепловой поток передается перпендикулярно и параллельно слоям. В первом варианте термическая связь между отдельными элементами тела в направлении потока тепла совершенно отсутствует. Во втором - условия контакта между отдельными элементами тела в направлении потока тепла идеальные.

В [2] исследовано внутреннее испарение КТЗП в моделях пор ”песок” и ”дерево”. В первом случае структура пор в материале обладает высокой проницаемостью, и давление в порах не возрастает настолько, чтобы подавить испарение. Внутреннее испарение ограничено скоростью, с которой масса покидает поверхность материала. Во втором случае рассматриваются цилиндрические поры, которые ветвятся подобно дереву. Отмечено, что усложнение модели пористого тела, хотя и позволяет оценить давление газа в порах, качественно не затрагивает определение температурного поля.

Постановка задачи и ее решение. Учтем модель пористости в виде системы, состоящей из чередующихся между собой плоских параллельных слоев твердого и газообразного вещества [1] в модели стационарного поверхностного разрушения композиционного покрытия [3].

Пористая ячейка имеет форму параллелепипеда высотой h. При высоких температурах, стенки пор воспринимают энергию излучения и одновременно испускают её, внося необходимость учета радиационной составляющей теплопроводности:

,

где - эффективный коэффициент теплопроводности, Вт/мК; S - коэффициенты теплопроводности твердой фазы, Вт/мК; g - коэффициенты теплопроводности газообразной фазы, Вт/мК; П - пористость материала.

В случае однократного отражения энергии с поверхности пор, коэффициент радиационной теплопроводности имеет вид [4]:

,

где - степень черноты; - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м2К4; Т - температура стенки поры, К; h - высота поры, м.

Уравнение сохранения энергии внутри КТЗП [3] с учетом влияние пор (1), (2) имеет вид:

;

;

,

где Т - текущая температура, К; ж - координата в подвижной системе координат, м; VS - линейная скорость уноса поверхности ТЗП, м/с; Gg - расход газообразных продуктов разрушения, кг/м2с; Q* - объемный сток тепла, обусловленный тепловым эффектом физико-химических превращений, Вт/м3; М - массовая пористость; (с)g - плотность кг/м3 и теплоемкость Дж/кгК газообразной фазы; (с)s - плотность кг/м3 и теплоемкость Дж/кгК твёрдой фазы; СМ - массовая доля смолы; hg - массовая доля газообразных продуктов реакции.

Граничные условия имеют вид:

где А - поглощательная способность поверхности; І0 - плотность ТП, Вт/м2; кЭ - коэффициент поглощения ТП в парах; Г - параметр газификации; Н - скрытая теплота разрушения ТЗП, Дж/кг; qВД - тепловой эффект вдува образовавшихся газов, Вт/м2; Т0 - начальная температура КТЗП, К.

На рис. 1 показано графическое решение задачи (3 ч 6), при заданных значениях величины ТП и высоты пор. Материал КТЗП - рефразил [1], величина ТП: І0 = 108, Вт/м2 [1, 3]. Высота пор: h1 = 0,510-3, м; h2 = 210-3, м; h3 = 410-3, м [2].

Анализ температурных полей на рис. 1 показывает, что увеличение размеров пор приводит к повышению прогрева КТЗП при заданном значении величины ТП.

Причиной этого повышения, является изменение соотношения между радиационной R и молекулярной g составляющими коэффициента теплопроводности . Увеличение размеров пор приводит к возрастанию вклада излучения в долю переноса тепла вглубь теплозащитного покрытия.

Рис. 1. Температурное поле в КТЗП с учетом высоты пор

Выводы. Представлена модель теплового разрушения КТЗП с учетом модели пористого тела. Получена оценка влияния геометрических размеров пор на прогрев материала покрытия при заданных величинах тепловых потоков. композиционный радиационный температурный теплопроводность

Литература

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

2. Хастингс Д. Е. Внутреннее испарение пористых материалов при лазерном облучении / Д. Е. Хастингс, А. А. Ригос / Аерокосмическая техника. - № 5, 1989. - С. 139 - 144.

3. Дуреев В. А. Модель стационарного поверхностного разрушения композиционного покрытия с учетом коэффициента отражения излучения / Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. Вып. 37. - Х.: НУГЗУ, 2015. - С. 62-65

4. Алифанов О. М. Определение коэффициента внутреннего теплообмена и эффективной теплопроводности пористого тела по данным нестационарного эксперимента / О. М. Алифанов, А. П. Тренин / Инженерно-физический журнал - Т. 48. - № 3, 1985. - С. 472 - 483.

Аннотация

Проведена оценка влияния модели пористого тела на прогрев композиционного теплозащитного покрытия. Предложен способ определения температурного поля с учетом геометрических размеров пор.

Ключевые слова: стационарное поверхностное разрушение композиционного теплозащитного покрытия, пористость, параметр пористости.

Проведена оцінка впливу моделі пористого тіла на прогрів композиції-онного теплозахисного покриття. Запропоновано спосіб визначення температурного поля з урахуванням геометричних розмірів пор.

Ключові слова: стаціонарне поверхневе руйнування композиційного теплозахисного покриття, пористість, параметр пористості.

The influence model of porous body to warm up of composition-tional thermal barrier coating. The proposed method of determining the temperature field taking into account the geometric size of the pores

Keywords: stationary surface destruction of composite heat insulation coating, paint-employment, porosity parameter.

Размещено на Allbest.ru