МЕТОДЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ ОБТЕКАНИИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ТЕЧЕНИЕМ

АННОТАЦИЯ

Основные методы для снижения температуры поверхности тела при его обтекании высокоскоростным потоком воздуха.

Ключевые слова: методы охлаждения; обтекание; поток с высокой скоростью.

При обтекании твердых тел высокоскоростным потоком возникает большая тепловая нагрузка. Поэтому встает вопрос о мерах ее снижения. В настоящее время основные виды отвода тепловой нагрузки выглядят следующим образом: теплопроводность с использованием теплоемкости материалов, конвекцией, излучением, массообменом, с помощью электромагнитных полей и за счет физико-химических превращений.

Суть первого способа охлаждения – выбор жаропрочных материалов и жаропрочных покрытий. К примеру, для изготовления лопаток рабочей части современного газотурбинного двигателя необходимы жаропрочные сплавы нового типа. К таким сплавам относятся: разработка особо жаропрочных литейных никелевых сплавов, появление эвтектических сплавов с направленной структурой, создание процессов направленной кристаллизации для получения материалов с ориентированной столбчатой поликристаллической и монокристаллической структурами [1, с. 113].

Второй способ охлаждения – конвективное охлаждение. Его суть состоим в том, что нагретая горячим потоком газа поверхность тела передает теплоту охлаждающей жидкости или газу. Это схематично продемонстрированно на рисунке 1. Чаще всего в роли охлаждающей жидкости выступают: вода, антифриз, спирт. Однако при высоких температурах стенки для охлаждения объектов могут использоваться расплавленные металлы (к примеру, литий и натрий) [2, с. 528].

Рисунок 1. Тепловая защита за счет конвективного охлаждения

Третий вид охлаждения – массообменный принцип охлаждения. Он представляет собой реализацию в виде пористого, пленочного или заградительного охлаждения. Суть данного вида охлаждения – ввод холодного газа или жидкости непосредственно в пристеночный слой набегающего потока. Толщина этого слоя при этом будет увеличиваться, за счет этого происходит оттеснение горячего потока газа от поверхности объекта. В результате интенсивность теплообмена на поверхности снижается. Тепловая защита массообменом в основном подразделяется на 3 группы: пленочное охлаждение, заградительное охлаждение и пористое охлаждение [3 с. 14].

Четвертый тип охлаждения поверхности твердого тела при высокоскоростном обтекании – радиационное охлаждение, который использует способность нагретой поверхности твердого тела излучать теплоту. При поступлении теплового потока к поверхности твердого тела и ее нагрева, существует часть энергии, которая может излучаться телом при температуре и длины волны (на основе второго закона термодинамики). Система с радиационным охлаждением имеет чаще всего трехслойный вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема радиационного охлаждения

Способы электрического или магнитного регулирования теплообмена способны воздействовать на температуру внешней поверхности, воздействуя на плазму, которая обтекает защищаемую поверхность. Для реализации магнитогидродинамического метода охлаждения требуется создание поля сил в ионизированной плазме. Магнитное поле воздействует на слой сжатого газа, в состав которого входят электрически заряженные ионы и электроны, увеличивает расстояние между ударной волной и поверхностью тела. Из этого следует рост пограничного слоя и уменьшение градиентов скорости и температуры. Термоэлектрический метод охлаждения основан на поглощении теплоты и преобразовании ее в другую форму энергии, к примеру в электрическую.

Последним видом охлаждения тел в высокоскоростном потоке является охлаждение за счет физико-химических превращений на их поверхности или же абляционное охлаждение. Любое фазовое превращение сопровождается значительным тепловым эффектом. Значение теплового эффекта непосредственно связано с температурой фазового перехода.  При плавлении происходит неполное ослабление связей между атомами, поэтому по тепловой эффективности плавление уступает испарению, когда рвутся все связи кристаллической решетки и атомы становятся практически независимыми друг от друга.

Список литературы:

1. Патон Б.Е., Строганов Г.Б., Кишкин С.Т. Бокштейн С.З., Логунов А.В., Малашенко И.С., Мовчан Б.А., Чумаков В.А. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления. Киев, Наук. Думка, 1987, 113 c.
2. Авдуевский В.С. Кошкин В.К. Основы теплообмена в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение, 1992, 528c.
3. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Тепломассообмен. Термохимическое и термоэрозионное разрушение тепловой защиты. Москва, 14 с.