HEAT AND MASS EXCHANGE BETWEEN A WALL AND PLASMA FLOW IN PRESENCE OF COOLING GAS INJECTION THROUGH POROUS MATERIALS..pdf Для защиты поверхностей энергетических установок от воздействия высокотемпературных, химически агрессивных газовых потоков широкое применение находят гидродинамические методы, использующие вдув газа-охладителя в пограничный слой в зону интенсивного нагрева через поверхности из пористых материалов (пористое охлаждение) [1, 2 - 5]. В литературе такие методы называют активной тепловой защитой. Необходимость в использовании активной тепловой защиты возникает в условиях сильной неизотермичности процессов в теплоэнергетических устройствах, в плазмохимических реакторах, в атомной энергетике. Одной из областей применения гидродинамических методов отвода тепла является тепловая защита от аэродинамического нагрева, возникающего при входе тел с гиперзвуковыми скоростями в плотнее слои атмосферы [5, 8]. Аэродинамический нагрев вызывает значительное повышение температуры элементов конструкций летательного аппарата, при этом прочностные характеристики материалов, модуль упругости, предел прочности ухудшаются настолько, что происходит разрушение оболочки с заметным изменением аэродинамической формы летального аппарата, нарушается правильное функционирование приборов управления и дальность полета.Окрестность лобовой критической точки летательного аппарата подвергается наиболее интенсивным тепловым нагрузкам. Так, при числе Маха набегающего потока воздуха Ме = 20 максимальные температуры, соответствующие квазиравновесному состоянию, достигают (6-ь7)-10 К [9]. Для таких тепловых нагрузокизвестные теплозащитные системы, основанные на поглощение и накоплении тепла конденсированными веществами, сублимирующие, разлагающиеся, композиционные материалы, оказываются малоэффективными.Возрастание скоростей спуска современных летательных аппаратов приводит к повышению требований, касающихся тепловой защиты конструкций.1 Работа выполнена при поддержке гранта ФАО № 2.1.1/ 2269 «Малые энергетические возмущения в задачах тепловой защиты конструктивных элементов летательных аппаратов»Тепломассообмен стенни и потопа плазмы при наличии вдува газа-охладителя89Основные требования, предъявляемые к пористым материалам, и их характеристики приведены в таблице.№ п/пНаименованиеХарактеристикаПримечание1ПрочностьМаксимальное напряжение2ПластичностьМодуль Юнга3ТермостойкостьТемпература плавления4Интенсивность внутреннего теплообменаКоэффициенты теплопроводности и теплоемкости5ВесПлотность6Химическая активностьОтсутствие элементов, способных вступать в реакцию окисления (углерод)7Отсутствие деформацийКоэффициент линейного расширенияДля сохранения пористости материала при нагреве8Простая технология изготовления9Максимальная газопроницаемостьКоэффициент непроницаемостиПористые материалы обычно разделяют на две основные группы [6,7]. Металлы плетеные или полученные спеканием частиц; карбиды и керамики, полученные выжиганием введенных ранее веществ. К достоинствам металлов следует отнести высокую пластичность и интенсивность внутреннего теплообмена, простоту изготовления и максимальную газопроницаемость. К недостаткам: относительно низкую термостойкость, большой вес и наличие деформаций при нагреве. Достоинства карбидов - высокая прочность и термостойкость, малая плотность и низкая химическая активность к реакциям окисления. Недостатки - хрупкость, слабый внутренний теплообмен при фильтрации газа-охладителя через поры, сложная технология изготовления.Анализ требований, предъявляемых к пористым материалам, позволяет сделать вывод о перспективности пористых металлических материалов.Для спекания используют полидисперсные частицы денридной формы или монодисперсные частицы кубической или ромбической укладки.Объект исследованияНа рис. 1 показана принципиальная схема исследуемых моделей, выполненных в форме усеченного конуса 1, в малом основании которого расположен пористый материал 2. Пористый материал представляет собой спрессованные сферические частицы из нержавеющей стали и молибдена. Через внутренний объем модели навстречу набегающей плазменной струи подается газообразный азот или воздух.Через внутренний объем моделей навстречу набегающему потоку подавался газообразный воздух или азот.Параметры воздушной плазменной струи74 =(3300-4900) К, Gx = 1,0-10~3кг/с,Те = (3100 - 3600) К , ие = (32 - 57) м/с - среднемассовая температура, расход плазмообразующего газа, локальные зна-90Е.В. Рулёва, А.Н. Головановчения температуры и скорости плазмы в рабочем сечении струи (в месте установки модели) - определялись из условия энергетического баланса работы плазмотрона ротаметром, спектрографом ИСП-30, водоохлаждаемыми энтальпиемером и насадкой Пито.Рис. 1. Модель для сравнительных испытаний: 1 - модель в форме усеченного конуса; 2 - пористая вставка; 3 - газообразный азот, подаваемый под давлением через проницаемый участокПостановка задачи(1) (2)(3) (4)(5)(6)(7)Для начала рассмотрим двухтемпературную нестационарную модель, предлагаемую в [8] Ю.В. Полежаевым. Добавим граничные условия и таким образом получимдх ЖдТ ' \(1-П)-±- +av(Tx-T2);д1 pldt дх"2 2| dt дх дх{ 2 дх-ау(Тх-Т2).Граничные условия:Т\ -Т\ -Т\ -Т-1l\t=0 ~12\t=0 - 1 \t=0 _iH >(qw-eoT\w)(l-n) = -Xl(l-n)(^х=0(f)a(71-rH);(т2-тн).x=lас.mЛ (i-я)-Х2Пx=l(PV)WЗдесь / - время; 7\ - температура стенки; Т2 - температура газа - охладителя; Тн -начальная температура; р - плотность; у - скорость фильтрации газа 2; (pv)w -расход газа-охладителя в порах; ср, X, - коэффициенты теплоемкости, теплопроводности; П - пористость; av - объемный коэффициент теплообмена между га-Тепломассообмен стенни и потопа плазмы при наличии вдува газа-охладителя91зом и каркасом; о - постоянная Стефана-Больцмана; h - энтальпия; qw - плотность теплового потока.Далее, проведя несложные математические преобразования, прейдем к одномерной однотемпературной стационарной постановке. Таким образом, получим:dT_ dx^\cp Jd2T dxdTt-. dx(he-hw) = -X1 \i=o ~Jff'1-е"X (P»)wB-(a/cp)0-cp2В - безразмерный параметр вдува, В -Интегрируя, получим решениеXaТ:+ TH +a(l-e~al) + Xaahe(l-e-at) с XaX(clTtt а/г,cpkJ(8)Экспериментально была получена следующая зависимость безразмерной температуры стенки от параметра вдува (рис. 2).от * со0,320,24- \ А\ 10,162 \0 081 1 ►В12Рис. 2. Зависимости безразмерной температуры стенки от параметра вдува. Из стали - 1, молибдена -2,11= 0,36Для того чтобы провести сравнительный анализ, обезразмерим наше решениеТ следующим образом: -, Тх: 3600 К .92Е.В. Рулёва, А.Н. ГоловановНа рис. 3 представлено сравнение экспериментальной кривой и кривой, полученной при помощи найденного решения.Tw/T~\02468ВРис. 3. Сравнение экспериментальной кривой и кривой найденного решенияАнализ полученных результатовИз рис. 3 видно, что кривая, полученная экспериментально, лежит ниже чем рассчитанная по однотемпературной стационарной одномерной модели Ю.В. Полежаева для сильных вдувов В > 2 . Однако для умеренных и слабых вдувов согласование теории и эксперимента удовлетворительно. Полученный результат вероятно связан с низкими значениями градиентов температуры по толщине пористого образца. При сильных вдувах наступает режим оттеснения внешнего высоко-энтальпийного потока, и тепловые нагрузки к защищаемой стенке уменьшаются. При слабых вдувах в условиях проведения эксперимента не удавалось получить стационарные значения температуры стенки и поэтому матмодель Полежаева в данном случае неприемлема.

Скачать электронную версию публикации