Модель разрушения теплозащитных покрытий при воздействии высокоинтенсивных тепловых потоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модель разрушения теплозащитных покрытий при воздействии высокоинтенсивных тепловых потоков

В.А. Дуреев, канд. техн. наук, ст. преподаватель УГЗУ

М.Н. Мурин, ст. преподаватель, УГЗУ

Н.Н. Азимов, инженер-программист, УГЗУ

А.А. Савченко, курсант УГЗУ

Постановка проблемы. Необходимость в тепловой защите возникает в тех случаях, когда незащищенный конструктивный элемент под действием тепловых потоков неминуемо должен разрушиться. В качестве защиты таких элементов от тепловых потоков предлагается использовать теплозащитные материалы.

Анализ последних исследований и публикаций. В зависимости от конкретных условий, могут быть реализованы различные методы тепловой защиты с использованием разрушающихся и неразрушающихся теплозащитных покрытий (ТЗП) [2, 3]. 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 [3, 5].

Постановка задачи и ее решение. Аналитическое определение теплового состояния защитного покрытия позволяет отразить влияние различных факторов, оценить их значимость, выделить главные из них. Опишем основные этапы теплового разрушения ТЗП.

При повышении температуры ТЗП до 400К, происходит дегидратация ТЗП - выделение адсорбционной влаги. При дальнейшем повышении температуры до 600К, 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 на поверхности покрытия температуры плавления, возможно образование пленки расплава, которая в зависимости от условий воздействия тепла и вида материала, может быть значительной. Из-за пленки расплава, передача тепла в более глубокие слои материала замедляется. Это связано с тем, что расплав является дополнительной прослойкой и обладает большим коэффициентом отражения, чем исходный материал.

При дальнейшем росте температуры поверхности, начинается испарение, 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 [3, 4].

Рассмотренный процесс теплового разрушения ТЗП показан на рисунке 1.

Из представленной модели разрушения ТЗП видно, что поступающий на поверхность материала ТП расходуется 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 материала.

Используем данную модель для определения теплового состояния ТЗП, полагая, что процесс теплового разрушения ТЗП установился стационарным, т.е. рассмотрим данную задачу в линейной постановке [3, 5].

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 [1]:

, (1)

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

Введем в (1) подвижную систему координат (СК) с координатой , [м]. Подвижная СК перемещается вглубь покрытия со скоростью разрушения VS [2]:

, , . (2)

Согласно принятой модели (рис.1), 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 [3]. Аналогично, фильтрующиеся через пористый каркас газообразные продукты разложения должны поглощать определенное 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 ТЗП, [Дж/кгК]; сg - эквивалентная теплоемкость газообразных продуктов разрушения, [Дж/кгК]; Gg - расход газа, выделившегося при физико-химических превращениях, [кг/м2с].

Граничные условия запишем в виде:

(4)

где: Q - мощность теплового потока, [Вт/м2]; Г - параметр газификации; НИСП - тепловой эффект испарения покрытия, [Дж/кг]; - степень черноты; - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/м2К4]; ТW - температура поверхности, [К]; qВД - тепловой эффект вдува образовавшихся газов [Вт/м2].

Решение задачи (3 ч 4) показано на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Видно, что учет процессов, протекающих в защитном материале на всех этапах поглощения энергии учитываемых моделью разрушения, позволяет более строго определить тепловое состояние и соответственно возможный унос покрытия.

Следует отметить, что данное решение получено для стеклопластика при плотностях тепловых потоков ~ 108 Вт/м2. При таких условия время, в течение которого процесс разрушения теплозащитного материала становится стационарным ~ 10-2 сек.

Разработана математическая модель разрушения защитного покрытия с учетом процессов, протекающих в ТЗП при повышении температуры. Получено решение, описывающее температурное состояние защитного покрытия при стационарном процессе разрушения.

Литература

теплозащитный покрытие разрушение

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

2. Орлов Б.В., Мазинг Г.Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетних двигателей на твердом топливе. -М.: Машиностроение, 1968. -536 с.

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

4. Приходько И.М., Дуреев В.А., Винник Л.А. О воздействии непрерывного лазерного излучения на композиционное теплозащитное покрытие // Системи обробки інформації. - Харків: ХФВ “Транспорт України”. - 2000. - Вип. 4 (10).- С. 35.

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

Размещено на Allbest.ru