Моделирование теплопереноса в слое разлагающегося материала теплозащитного покрытия спускаемого аппарата

Моделирование теплопереноса в слое разлагающегося материала…

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. № 6

Примем следующие допущения: тепловой контакт на границах слоев в элементе

ТЗП идеальный, линейный массовый унос материала с поверхности ТЗП отсут-

ствует, тыльная поверхность элемента ТЗП теплоизолирована.

Считается, что из траекторных расчетов известна зависимость скорости и

высоты полета аппарата от времени при его спуске на Землю. Параметры внеш-

него теплообмена элемента ТЗП с окружающей средой, такие как коэффициент

теплоотдачи, теплоемкость и температура окружающей среды, также являются

известной функцией времени [14].

Исходные данные для моделирования.

Зависимость теплопроводности

разлагающегося материала от температуры имеет три выраженные зоны: низких

(300…400 K), средних (500…800 K) и высоких (более 800 K) температур. Тепло-

проводность исходного материала в низкотемпературной области достаточно

хорошо изучена. В интервале средних температур в материале происходят ин-

тенсивные физико-химические превращения, сопровождающиеся газификаци-

ей связующего и образованием пористого углеродного каркаса. В этой области

теплопроводность сильно зависит от темпа нагрева. При высоких температурах

твердая фаза материала представляет собой пористый коксовый каркас, тепло-

физические свойства которого также изучены недостаточно. В связи с этим

важно оценить влияние точности задания теплопроводности материала в обла-

сти средних и высоких температур на прогрев элемента ТЗП.

Была задана номинальная зависимость теплопроводности от температуры, а

также ее вариации с завышением и занижением на 50 % теплопроводности в

зоне средних и высоких температур (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость относительной теплопроводности разлагающегося материала

от температуры; номинальная зависимость (кривая

); завышение и занижение

на 50 % теплопроводности в областях высоких (кривые

) и средних (кривые

)

температур соответственно

Для моделирования процесса пиролиза материала использовались следующие

базовые значения кинетических характеристик: предэкспоненциальный множи-

тель 4,5

· 10

, энергия активации

= 130 000 Дж/моль, порядок реакции 1.

Результаты моделирования.

Цель настоящего исследования — качествен-

ное ранжирование влияния степени черноты поверхности ТЗП, теплопровод-

ности разлагающегося материала в области средних и высоких температур и