Тепловое разрушение материалов - часть 5

1.2. Теплообмен при вынужденной конвекции

Последующие опыты показали, что переход сопровождается увеличением сопротивления и ин-

тенсивности теплообмена. Это можно объяснить тем, что часть поступательной энергии потока пре-
образуется в энергию вихревого потока, т. е. происходит генерация (или «порождение») турбулент-
ности. За счет вязкости в дальнейшем энергия турбулентных вихрей преобразуется в теплоту, т. е.
происходит диссипация механической энергии в тепловую.

Строгой математической модели

турбулентного  обтекания  до  сих  пор
нет. Здесь нет линейных связей между
потоками  массы,  количества  движе-
ния,  энергии  и  градиентами  скорости,
температуры  или  концентрации.  Дру-
гими  словами,  феноменологические
законы Ньютона, Фурье и Фика, с по-
мощью  которых  замкнута  теория  ла-
минарных  течений,  в  турбулентных
потоках  не  работают.  Однако  за  по-
следние  десятилетия  накоплен  огром-
ный  экспериментальный  материал  и
разработаны  различные  полуэмпири-
ческие модели для расчета теплообме-
на и сопротивления при обтекании тел

в режиме турбулентности.

В условиях развитого турбулентного обтекания критериальный закон теплообмена: Nu = Re

0,8

имеет более сильную зависимость от числа Рейнольдса, по сравнению с ламинарным режимом:

Nu ~ Re

0,5

Так для плоской пластины:

0296

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

В переходной области с увеличением числа Рейнольдса теплообмен монотонно возрастает от

величины, соответствующей ламинарному течению (рис. 1.10).

Турбулентный режим более устойчив, чем ламинарный, к колебаниям скорости и температуры

набегающего потока. При увеличении степени турбулентности до 21% интенсивность теплообмена
на пластине возрастает в 5 раз при ламинарном режиме течения и лишь на 30%

− при турбулентном.

Рис. 1.10. Сравнение расчетных зависимо-
стей числа St от числа Re с эксперимен-
тальными данными при ламинарном, пе-
реходном и турбулентном режимах тече-
ния: 1 – турбулентное течение,

029

−

; 2

− переходное тече-

ние; 3 – ламинарное течение,

332

−

. Физические парамет-

ры взяты при температуре стенки [11]

Однако и бороться с тепловыми нагрузками в турбулентной области намного сложнее. Так эф-

фект вдува охладителя снижается в 2

−3 раза при переходе от ламинарного течения к турбулентному.

Мельчайшие твердые или жидкие частицы, разгоняясь в газовых потоках, способны при столк-

новении с преградами вызвать значительное увеличение теплообмена и разрушение на поверхности

Рис. 1.9. Сравнение носовых обтекателей «Бурана» и сверх-
звукового истребителя МИГ-25

Глава. 1. Тепловой барьер. Причины появления и пути преодоления

этих преград. Частицы попадают в газовый поток вследствие естественных или искусственных при-
чин. В атмосфере Земли и других планет всегда присутствует пыль или облака, содержащие жидкие
(дождь) или твердые (снег, град) частицы. В отличие от природных атмосферных образований части-
цы искусственного происхождения могут иметь весьма причудливые формы, а плотность их может
значительно превосходить плотность воды. Изучению механики и физики гетерогенных систем в по-
следние годы уделяется значительное внимание. Здесь отметим только дополнительные факторы ин-
тенсификации конвективного теплообмена, которые проявляются из-за наличия в потоке твердых
частиц. К ним относятся:

− интенсификация теплопереноса вследствие нарушения ламинарной структуры пристеночного

слоя;

− ускорение перехода ламинарного режима течения в турбулентный и интенсификации тепло-

переноса вследствие образования кратеров на экспонируемой поверхности;

− интенсификация теплопереноса отскочившими частицами.
Завершая раздел о конвективном теплообмене, следует отметить также и работы по проникаю-

щему охлаждению, проведенные в последние годы.

Механизм пористого охлаждения складывается в общем из двух процессов: внутреннего тепло-

обмена, во время которого газ отбирает теплоту от пористой матрицы при фильтрации к нагреваемой
поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающей газ, покинув стенку, диффундирует че-
рез пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток.
Именно этот второй процесс обеспечивает более высокую эффективность проникающего охлажде-
ния по сравнению с другими, включая конвективное и пленочное. На рис. 1.11 показана зависимость
температуры в критической точке пористого обтекателя в зависимости от радиуса затупления и тол-
щины оболочки. Видно, что значительное снижение температуры за счет внутреннего теплообмена в
пористой оболочке наблюдается при увеличении ее толщины до 8–10 мм.

Рис. 1.11. Влияние толщины оболочки
и радиуса затупления R

на темпера-

туру поверхности в критической точке

Малая толщина пористой стенки остро ставит вопрос о достоверности существующих моделей

сопряженного теплообмена, в частности, о методиках обработки экспериментальных данных по эф-
фекту вдува и коэффициенту внутреннего теплообмена. Принципиальное значение имеет и выбор
размера поровых каналов, и оптимизации отношения этого размера к толщине пористой стенки.

Установлено, что наиболее представительным внутренним масштабом поровых каналов явля-

ется величина:

где А – вязкостный коэффициент в законе Дарси для гидравлического сопротивления пористой стен-
ки.

Показано, что температурная неравновесность на внешней поверхности, т. е. разность температур

пористой матрицы и охладителя, могут быть причиной резкого снижения эффекта блокировки при вдуве ох-
ладителя и даже прогара пористых оболочек.

1.3. Пути преодоления теплового барьера. Способы тепловой защиты

Как отмечалось ранее, пионеры ракетной техники были едины в том, что при возвращении кос-

мических летательных аппаратов аэродинамический метод торможения более эффективен, чем ис-
пользование тормозного двигателя. К. Э. Циолковский писал «Полетав там, насколько хватает кисло-
рода и пищи, они спирально возвращаются на Землю, тормозя себя воздухом и планируя без взрыва-
ния» (т. е. без использования тормозных двигателей).

Пророчески предсказав состав и облик большинства систем современных ракетных аппаратов,

К. Э. Циолковский полностью обошел вопрос о способах тепловой защиты, ограничившись указани-
ем об охлаждении камеры сгорания и сопла «протоком одного из жидких компонентов топлива че-
рез стенку из двух оболочек». Через 20 лет после Циолковского Герман Оберт в Германии предло-
жил способ защиты камер сгорания с помощью газовых завес. Он же вместе с другими пытался на-
носить на стенки тонкий слой магнезитового огнеупорного материала. Этот скромный набор мето-
дов тепловой защиты можно оправдать лишь тем, что теория теплообмена находилась в зачаточном
состоянии, а уровень тепловых нагрузок в современных РДТТ, например, в 100 раз превышает тот,
что имеет место в топке парового котла.

Необходимость в использовании специальной тепловой защиты возникает в тех случаях, когда

незащищенная конструкция под действием тепловых и силовых нагрузок неминуемо должна разру-
шиться. Верхним пределом применимости самых жаропрочных металлов можно, по-видимому, счи-
тать тепловые потоки порядка 250 кВт/м

, которые приводят к равновесным температурам поверхно-

сти

∼ 1500 К. Очевидно, это − условный порог, поскольку в большинстве приложений тепловое воз-

действие усугубляется химическим или эрозионным воздействием, что приводит к разрушению при
существенно меньших температурах.

В настоящее время известно шесть способов отвода (поглощения) теплоты:
− теплопроводностью с использованием теплоемкости конденсированных веществ;
− конвекцией;
− массообменном;
− излучением;
− с помощью электромагнитных полей;
− за счет физико-химических превращений.
При конструктивном решении проблем тепловой защиты в начале 50-х годов были предложены

различные схемы, включая и такие, в которых используются реагирующие, сублимирующие и пла-
вящиеся материалы, или так называемая уносимая тепловая защита, разрушение которой в процессе
нагрева заранее предполагается и происходит упорядоченным образом.

На практике часто встречаются комбинации двух или более из указанных способов. Тем не ме-

нее, области применения этих способов можно в первом приближении оценить с помощью рис. 1.12.

Как видно на рис.1.12, поглощение тепла теплопроводностью с использованием теплоемкости

конденсированных систем (медь и графит) можно применять только при воздействии небольших те-
пловых потоков в течение непродолжительного времени. Предельные возможности этого способа
поглощения тепла ограничены температурой плавления материала.

В последние годы в связи с исследованием и освоением космического пространства с помощью

многоразовых космических систем (МКС) возросла роль теплового излучения, как основного процес-
са  отвода  тепла,  который  получил  название  «радиационное  охлаждение».  Нормальный  температур-
ный режим многих теплонапряженных элементов этих систем, подвергающихся высокотемператур-
ному  воздействию  продуктов  сгорания  топлива  жидкостных  ракетных  двигателей  и  аэродинамиче-
скому нагреву, был обеспечен только благодаря эффективному использованию радиационного охла-
ждения. На этом принципе основана защита от радиационных потоков. Так, для защиты многоразо-
вого космического корабля "Буран" от солнечного излучения и аэродинамического нагрева (рис. 1.9),
в основном, применялись два типа покрытий, нанесенных на высокопористый, волокнистый матери-
ал. Белое покрытие верхней части аппарата, обладая низкой степенью черноты в видимом диапазоне
спектра и большими значениями в инфракрасной области, применяется для защиты от радиационных
потоков  излучения  Солнца,  а  черное,  с  высокой  интегральной  излучательной  способностью,  доста-
точно эффективно излучает тепло, полученное за счет аэродинамического нагрева нижней части кос-

Глава. 1. Тепловой барьер. Причины появления и пути преодоления

мического аппарата [12, 13]. Так как излучательная способность материала не может превышать 1, а
температура поверхности, как правило, не должна быть больше температуры разрушения покрытия,
то в этом случае накладывается сильное ограничение на плотность подводимых тепловых потоков.
Подробно тепловая защита многоразовой транспортно-космической системы (МТКС) типа «Буран»
рассмотрена в монографии [14].

Рис. 1.12. Способы тепловой защиты

Между возвращаемым отсеком МТКС и гиперзвуковым летательным аппаратом наблюдается много
различий. Для ГЛА приоритетными являются дальность полета и масса полезной нагрузки. В отличие
от возвращаемых отсеков МТКС гиперзвуковой самолет имеет длительный участок горизонтального
полета в атмосфере Земли с постоянной скоростью. Существует немного опробованных методов рас-
чета, процедур и критериев, применимых непосредственно к гиперзвуковому самолету. Следует под-
черкнуть, что по мере увеличения скорости гиперзвуковых самолетов аэродинамика, аэродинамиче-
ский нагрев, силовые установки, теплозащита и конструкция становятся все более тесно связанными
и даже взаимозависимыми. Применительно к ГЛА, тепловые нагрузки становятся уже столь значи-
тельными, что требуются новые подходы как в материаловедении, так и в интенсификации процессов
охлаждения конструкции.

Обеспечение тепловой защиты ГЛА аппаратов представляет очень сложную задачу [7]. В пер-

вую очередь это относится к носовому обтекателю и кромкам крыльев. Основной метод тепловой за-
щиты носовых обтекателей и передних кромок сводится к тому, чтобы резко уменьшая радиус затуп-
ления R

, одновременно снизить интегральный тепловой поток на всей поверхности острой кромки.

Это позволит за счет кондуктивного теплопереноса через металлическую оболочку сбросить тепло от
передней кромки. С боковой поверхности тепло переизлучается в окружающую среду. При этом учи-
тывается, что конвективные тепловые потоки на затуплении и боковой поверхности отличаются поч-
ти на порядок.

Способы тепловой защиты поверхности ГЛА можно разделить на пассивные, полуактивные и

активные. К пассивным относятся все варианты охлаждения без подвода специального охладителя,
например: разрушающиеся теплозащитные материалы, излучающие покрытия, теплоизоляционные
покрытия с низкой температуропроводностью.

К полуактивным способам относят безнасосные методы прокачки хладоагента (например, с

помощью тепловых труб). Наконец, активными называют методы, когда хладоагент не только прину-

содержание .. 3 4 5 6 ..