Методы теплофизических исследований

 

Теплофизические исследования на ЛМ проводятся в целях:

получения экспериментальных тепловых характеристик ЛА в условиях, не моделируемых на земле, для уточнения методики расчета тепловых характеристик путем сравнения данных, полученных при лётных испытаниях конкретного ЛА с расчетными результатами и полученными на наземных стендах;

изучения отдельных физических явлений, реализующих в полёте (переход пограничного слоя, влияние неравновесности физико-химических процессов и каталитичности поверхности на теплообмен, влияние неизоэнтропичности потока и др.), не полностью воспроизводимых в наземных условиях;

исследования особенностей аэродинамического нагрева реального ЛА и получения фактической картины его аэродинамического нагрева;

исследования работоспособности теплозащитных материалов в условиях, близких к эксплуатационным режимам работы: проверки правильности функционирования отдельных элементов конструкции тепловой защиты в натурных условиях, приближенных к эксплуатационным; отработки и излучения различных способов тепловой защиты.

 

6. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА

Для тепловых исследований могут быть использованы модели, геометрически подобные создаваемому ЛА по конфигурации, и модели геометрически в целом неподобные, но имеющие натурные размеры отдельных частей конструкции, например носовых частей, передних кромок крыла.

В общем случае функциональную зависимость, характеризующую теплообмен при аэродинамическом нагреве, можно представить в виде

 

Nu = (11)

или St = (12)

где Nu = - число Нуссельта; Kn = - число Кнудсена; St = Nu/(Re Pr) – число Стантона; Pr = - число Прандтля; - температурный фактор; - коэффициент теплообмена; L – характерный размер тела; - коэффициент теплопроводности воздуха; средняя длина свободного пробега молекул; - адиабатическая температура; -динамическая вязкость воздуха; с - коэффициент теплоемкости воздуха.

Число Nu характеризует соотношение между конвективным переносом теплоты () от нагретого воздуха в пограничном слое и переносом теплоты теплопроводностью ().

Число Pr характеризует отношение скорости обмена импульсами между молекулами, обусловливающей внутреннее трение, к скорости молекулярного энергообмена, обусловливающей теплопроводность.

Температурный фактор учитывает изменение температуры воздуха по толщине пограничного слоя.

Число Кнудсена Kn характеризует степень разреженности воздуха.

Согласно теории подобия исследования на ЛМ должны проводиться в том же диапазоне изменения определяющих критериев подобия, что и для натурного аппарата. Однако провести полное параметрическое исследование процесса теплообмена в натурных условиях на телах сложной формы с установлением количественной связи между критериями в большинстве случаев невозможно. Поэтому условия испытаний на ЛМ причастичном моделировании выбирают на основании результатов расчета, исследований в аэродинамических трубах и моделирования.

Траекторию движения ЛМ выбирают таким образом, чтобы. С одной стороны, она включала наиболее характерные по теплонапряженности участки, а с другой стороны, было возможно сопоставить результаты лётных исследований с результатами, полученными в аэродинамических трубах и расчетным путем.

Датчики температуры размещают на ЛМ в зависимости от целей и задач исследований. При выборе мест расположения датчиков температуры необходимо учитывать особенности нагрева конструкции, связанные с наличием зон повышенного нагрева, возникающих при взаимодействии скачков уплотнения с пограничным слоем, отрыве и присоединении потока и т.п. Указанные особенности выявляют на основе анализа результатов экспериментальных исследований на стендах и теоретических исследований.

Необходимо иметь в виду, что число размещаемых на модели измерительных датчиков, как правило, ограничено располагаемым объемом. В связи с этим датчики следует располагать так, чтобы получить наиболее полную картину аэродинамического нагрева поверхности модели.

Точность измерения температуры при лётных исследованиях существенно зависит от правильного выбора диапазона измерений. Ожидаемый диапазон влияет на выбор как методов и средств измерений температуры, так и характеристик соответствующих согласующих устройств.

Диапазон измерения температуры в каждой точке определяют на основе анализа результатов расчета аэродинамического нагрева поверхности с использованием имеющихся априорных данных о характеристиках теплообмена в рассматриваемой точке.

В настоящее время наибольшее применение при лётных исследованиях нашли контактные методы измерения температуры с помощью термометров сопротивления, термопар, термоиндикаторов (термочувствительных красок, термоиндикаторов плавления, измерителей максимальной температуры.

Принцип действия термометров сопротивления, как известно, основан на свойстве проводников или полупроводников изменять свое сопротивление при изменении температуры. При проведении лётных исследований нередко возникает необходимость в термометрах сопротивления, характеристики и конструктивное исполнение которых отличается от выпускаемых промышленностью. В этом случае важно правильно выбрать параметры термометра сопротивления, его размеры и чувствительность. Эти параметры датчика в большой степени зависят от сопротивления чувствительного элемента при нулевой температуре.

Сопротивление термометра сопротивления при нулевой температуре определяется по известной формуле

(13)

где - допустимый разбаланс измерительного моста; - верхний предел измерения температуры; - нижний предел измерения температуры; -термический коэффициент сопротивления материала чувствительного элемента.

Если применять термометры сопротивления, параметры которых определяются по формуле (13) невозможно или нецелесообразно, необходимо использовать готовый датчик с известным значением сопротивления в комплекте с выбранным измерительным мостом. Сопряжение термометра сопротивления с согласующим устройством осуществляется следующим образом.

Выбирают значение температуры, при котором измерительный мост согласующего устройства должен быть сбалансирован. Это значение температуры в любом случае должно быть несколько ниже нижнего предела измерения.

Для выбранного значения температуры по известным зависимостям определяют сопротивление чувствительного элемента датчика и затем значение добавочного сопротивления, сумма которых обеспечивает баланс моста при выбранной температуре.

В практике лётных исследований нашли широкое применение термометры сопротивления, изготовляемые из медной и платиновой проволоки диаметром 0,95 … 0,2 мм. При экспериментальных исследованиях термометры сопротивления с чувствительными элементами из меди целесообразно использовать для измерения температуры в диапазоне от – 50 до 300 С, а из платины от – 200 до 1100 С.

Важно правильно выбрать способ крепления датчика к исследуемой поверхности. Условия лётного эксперимента накладывают дополнительные требования к прочности крепления датчиков, на которые одновременно воздействуют, как правило, большие скоростные напоры, температуры, виброакустические нагрузки.

Температуру поверхности с помощью термометров сопротивления может измерить достаточно надежно, достоверно и точно при правильном выборе состава клея, технологии приклейки, учете свойств материала исследуемой поверхности, состав клея и чувствительность элемента, обусловленных термическим расширением материалов. Необходимо выполнить противоречивые требования, связанные, с одной стороны, с обеспечением прочного крепления датчика на исследуемой конструкции при высоких температурах, а с другой, с устранением влияния тензоэффекта из-за различия значений коэффициентов термического расширения материалов чувствительного элемента датчика, исследуемой конструкции и крепящего состава.

При исследовании термометров сопротивления при лётных испытаниях требуется применение и размещение на борту ЛА преобразующих (согласующих) устройств, служащих для регулирования показаний термометров сопротивления с помощью бортовой радиотелеметрической системы (14).

Градуировку выбранной схемы измерения температуры выполняют путем термостатирования изделия при нескольких значениях температуры с регистрацией показаний датчиков через телеметрическую систему. Затем в системе координат «разбаланс моста - температура» по полученным экспериментальным точкам строится кривая, которая аппроксимируется полиномом, описывающим зависимость сопротивления чувствительного элемента термометра сопротивления от температуры. Если провести градуировку путем термостатирования изделия невозможно, необходимые данные для привязки градуированной кривой могут быть получены расчетным путем для точки баланса моста .

Сначала определяют постоянную (независящую от температуры) составляющую сопротивления измерительного плеча моста. Затем по известному значению сопротивления измерительного плеча, соответствующему балансу моста, и постоянной составляющей сопротивления измерительного плеча определяют значения сопротивления датчика в момент баланса моста и по известным зависимостям от температуры сопротивления чувствительных элементов датчиков находят значение температуры датчика, при которой осуществляется баланс моста.

По полученным данным строится градуировочная зависимость приращения сопротивления , отсчитываемого от значения, соответствующего балансу измерительного моста.

Принцип действия термопар основан на термоэлектрических явлениях, в результате которых в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает термо ЭДС, если в местах соединения этих проводников поддерживается разное значение температуры (31).

Наиболее широкое применение прилётных исследованиях нашли вольфрамовые(ВР), платинородий-платиновые (ПП), хромель-алюмелиевые (ХА) и хромель-копелевые (ХК)термопары. В зависимости от условий применения в лётных исследованиях чаще других используются термоэлектроды диаметром от 0,05 до 0,2 мм. В лётном эксперименте вольфрамрений-вольфрамрениевые термопары применяются для измерения температуры до 2500 С, платинородий-платиновые - до 1600 С, хромель-алюмелиевые- до 1300 С, хромель-копелевые – 800 С. Важно правильно выбрать такой способ установки (крепления) термопар, который обеспечивает наименьшую погрешность измерений.

При лётных исследованиях в большинстве случаев невозможно обеспечить термостатирование холодных спаев, поэтому необходимо предусмотреть измерение их температуры с помощью термометров сопротивления.

Поскольку значение ЭДС, развиваемые термопарами, малы, то в лётном эксперименте необходимо использовать автономные измерительные усилители (согласующие устройства), позволяющие регистрировать показания термопар с помощью радиотелеметрической системы (14).

Для повышения информативности температурных измерений при лётных исследованиях применяют различного рода термоиндикаторы с целью определения дискретных максимальных значений температуры. В этом случае для определения температуры в некотором диапазоне применяют набор термоиндикаторов с последовательным нарастанием максимальных значений их рабочих температур.

Термохимические индикаторные краски представляют собой суспензии термочувствительных соединений, наполнителей, связующих и растворителей, которые после нанесения на поверхность затвердевают в виде тонкой пленки .

При лётных исследованиях на моделях в большинстве случаев реализуются неустановившиеся как по скорости, так и по высоте режимы и, следовательно, неустановившиеся тепловые режимы. Учитывая зависимость температуры перехода термокрасок от темпа нагрева и давления, нельзя при обработке результатов лётного эксперимента пользоваться значениями температур перехода, указанными в паспортах или формулярах. В этом случае, как правило, необходимо получить градуировочные значения температур перехода термокрасок в условиях, близких к натурным.

Термоиндикатор плавления представляет собой суспензию тонкодисперсных веществ, состоящую из наполнителей и связующих на основе смол . Их действие основано на свойстве превращаться при определённой температуре из непрозрачного в прозрачное вещество. Для более точного определения границ перехода термоиндикаторов на поверхностях белого или серого цвета необходимо либо добавлять в них красители, либо наносить под индикаторы соответствующий грунтовочный подслой контрастного цвета по сравнению с исходной окраской изделия.

Термоиндикаторы плавления обладают следующими преимуществами по сравнению с термокрасками. Показания термоиндикаторов не зависят от давления в диапазоне 10 … 10 Па, темпа и продолжительности нагрева. Погрешность измерения температуры термоиндикаторами составляет 1 … 2 С. Благодаря перечисленным преимуществам термоиндикаторы плавления находят все более широкое применение при лётных исследованиях.

Измерители максимальной температуры кристаллические (ИМТК) конструктивно представляют собой заваренную с торцов капсулу диаметром 1 мм и длиной 5 мм из коррозийно-стойкой стали, внутри которой находится смесь порошков облученного и необлученного алмаза или карбида кремния. Кроме того, возможно использование непосредственно отдельных (размером 0,2 мм) монокристаллов облученного алмаза или карбида кремния. Принцип действия ИМТК основан на зависимости параметров кристаллической решетки термометрического вещества, подвергнутого облучению нейтронами, от времени воздействия температуры и ее значения. С помощью этого термоиндикатора можно измерять температуру в пределах от 100 до 1000 С (алмазный ИМТК) и от 100 до 1200 С (карбид кремния). Датчики ИМТК могут применяться для определения профиля максимальных температур по толщине материала. Способ крепления датчиков ИМТК должен допускать возможность его демонтажа после исполнения для съемки рентгенограмм. Стандартная погрешность измерения температуры с помощью датчиков ИМТК, если продолжительность теплового воздействия известна с погрешностью 10% при стационарном режиме нагрева составляет 6 С, при неустановившемся режиме - 12 С.

Методическая погрешность при контактном измерении температуры тела зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является искажение температуры поля тела в процессе измерений. Эти искажения обусловлены особенностями расположения теплочувствительного элемента в теле, различием термического сопротивления, теплоемкости и плотности материалов теплоприемника и исследуемого объекта. Оценка методической погрешности связана с анализом результатов решений уравнений теплопроводности с соответствующими краевыми условиями двух задач по определению распределений температур в исследуемом объекте при наличии и отсутствии в нем теплоприемника. Однако указанную задачу в точной постановке удается проанализировать не во всех случаях, при этом принимается ряд допущений при выборе модели теплоприемника и исследуемого объекта.

На основе накопленных в настоящее время сведений можно сформулировать ряд требований, которые необходимо соблюдать для уменьшения методической погрешности контактных методов измерения температуры:

размеры теплоприемников должны быть минимальными;

теплофизические характеристики материалов теплоприемника и исследуемого тела не должны сильно отличаться друг от друга;

теплоприемник должен располагаться в изотермической области;

площадь контакта чувствительного элемента теплоприемника с исследуемым телом должны быть по возможности максимальной.

Теоретические основы, методические подходы и оценки погрешностей контактных методов измерения температуры исследуемых объектов подробно изложены в работах

 

7. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНВЕКТИВНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

 

 

При лётных тепловых исследованиях на ЛМ наряду с измерением температурных полей элементов конструкции ЛА возникает необходимость изучения процессов теплообмена между высокоскоростным воздушным потоком в пограничном слое и поверхностью аппарата, т.е.экспериментального определения коэффициента или конвективного теплового потока в условиях, как правило, неустановившегося теплового режима.

Одним из способов определения конвективного теплового потока является применение различного рода вставок, устанавливаемых заподлицо с наружной поверхностью обшивки модели. Вставки могут иметь различную конструкцию.

На рис. 6 показан один из возможных вариантов конструкции датчика конвективного теплового потока. В целях уменьшения методической погрешности измерений теплоприемник датчика теплового потока должен удовлетворять следующим требованиям:

толщина и материал теплоприемника должны выбираться из условия примерного равенства температур поверхности теплоприемника и окружающей обшивки;

число Био для выбранного теплоприемника и условий летного эксперимента должен быть достаточно малым, т.е.

,

где - коэффициент теплообмена; - толщина стенки теплоприемника; - теплопроводность материала теплоприемника.

Определение теплового потока существенно упрощается, если удастся обеспечить равномерное поле температур в теплоприемнике. В этом случае удельный тепловой поток к поверхности теплоприемника определяется по формуле

, (14)

где с, p – теплоемкость и плотность материала теплоприемника; - коэффициент излучения абсолютно черного тела; - коэффициент степени черноты поверхности; T - температура наружной поверхности теплоприемника; - скорость изменения температуры наружной поверхности теплоприемника.

При выполнении указанных требований измерение температуры наружной поверхности можно заменить измерением ее в любой точке теплоприемника, так как при малых числах Био температура и скорость изменения ее в любой точке теплоприемника практически постоянны.

Таким образом, при применении калориметрического датчика теплового потока в полете необходимо измерять температуру теплоприемника и знать зависимость коэффициента степени черноты поверхности теплоприемника от температуры.

В частном случае, когда удается обеспечить постоянное значение температуры теплоприемника, калориметрический датчик становится датчиком равновесного теплового потока.

, (15)

Для измерения значений конвективного теплового потока в полете применяются датчики теплового потока типа Гардона . Этот датчик представляет собой теплоприемник в виде тонкого диска, соединенного по периферии с мощным теплопоглощающим устройством. Его принцип действия основан на создании перепада температур между центром т краем диска.

Тепловой поток определяют по аналитической или экспериментальной зависимости его от выходного сигнала дифференциальной термопары, пропорционально перепаду температур между центром и краем диска. При применении датчиков рассматриваемого типа необходимо оценивать погрешность, обусловленную искажением теплового пограничного слоя в месте установки датчика и отводом тепла по термоэлектродам центральной термопары.

Благодаря достигнутым в последние годы успехам в разработке численных методов решений обратных задач теплопроводности для определения конвективных тепловых потоков в летных условиях применяются результаты измерений температуры наружной поверхности и внутри стенки (обшивки). Температуру обшивки из материалов с низкой температуропроводностью можно измерить с помощью датчиков профиля температуры. Датчик представляет собой цилиндрическую пробку из материала с хорошо изученными теплофизическими характеристиками, на наружной поверхности и на определенных расстояниях от поверхности которой установлены термопары. Точное расположение термопар контролируют путем рентгеноскопии.

Метод определения конвективного теплового потока, поступающего к обшивке, по температуре обшивки сводится к определению теплового потока, излучаемого обшивкой, и теплового потока, поступающего в обшивку. В этом случае

, (16)

Где - удельный тепловой поток, поступающий в обшивку.

Определение теплового потока по измеренной температуре наружной поверхности обшивки по существу представляет собой задачу пересчета граничных условий.

В общем случае для определения конвективного теплового потока по результатам измерения температуры внутри стенки используется метод численного решения уравнения теплопроводности, описывающего процесс распространения тепла в датчике и окружающей стенке. Численное решение сводится к поиску граничного условия (управляющего параметра) по методу оптимального управления. Суть решения заключается в том, что в каждый расчетный момент времени ищется управляющий параметр (граничное условие) в виде удельного теплового потока или коэффициента теплообмена из условия определенной согласованности измеренной и расчетной температуры теплоприемника .

В отдельных случаях, когда условия теплопередачи на исследуемой поверхности удовлетворяют условиям полуограниченного тела, для оперативного определения теплового потока по измеренной температуре поверхности могут быть использованы простые расчетные зависимости, приведенные в работе .

Эти частные случаи реализуются на практике тогда, когда продолжительность процесса нагрева мала, а теплозащитная обшивка имеет значительную толщину или изготовлена из материала с малой температуропроводностью. Эти требования в общем случае описываются с помощью критерия Фурье.

,

где - коэффициент температуропроводности; - время; - тощина обшивки.

Полученные в летном эксперименте на моделях вышерассмотренными методами значения тепловых потоков или коэффициентов теплообмена нельзя механически перенести на процессы, протекающие на натурном изделии, так как они справедливы только для модели. Поэтому всегда возникает задача о применении результатов летных тепловых испытаний к натуре.

Классический подход к решению данной задачи заключается в обобщении опытных данных в виде критериального уравнения, описывающего взаимосвязь между определяемыми и определяющими критериями подобия. Однако подобный подход в полной мере в большинстве случаев не удается реализовать из-за ограниченного числа варьируемых определяющих критериев.

Для тел сложной аэродинамической формы возможно применение для натуры опытных данных, представленных в каждой точке в виде отношения местного теплового потока к тепловому потоку в критической точке при ламинарном или турбулентном режиме обтекания. Причем для определения нормирующего значения теплового потока в каждый момент времени используется любая известная теоретическая или эмпирическая зависимость, наиболее точно описывающая теплообмен в критической точке в исследуемых условиях.

Помимо указанного способа, перенос данных летного модельного эксперимента на натуру косвенно может осуществляться путем уточнения математической модели, описывающей процесс теплообмена на ЛА рассматриваемой конфигурации, при сравнении показателей, рассчитываемых с ее помощью и непосредственно определяемых в эксперименте. В качестве таких показателей используют температуры, тепловые потоки или коэффициенты теплообмена в характерных точках поверхности.

 

8. МЕТОДИКА ЛЁТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

В зависимости от этапа создания тепловой защиты выполняются исследования на отдельных натурных образцах из теплозащитных материалов, на отдельных элементах или фрагментах конструкции, а также на натурных конструкциях тепловой защиты.

К опытному образцу материала тепловой защиты как объекту тепловых исследований предъявляются следующие требования. Его размер должен по возможности исключать влияние на теплозащитные характеристики теплообмена с окружающей конструкцией, а также позволять размещать на модели натурные конструкции исследуемой теплозащиты. Места установки на модели исследуемых образцов тепловой защиты должны выбираться так, чтобы воспроизводить на поверхности образца газодинамические условия обтекания, близкие к условиям эксплуатации

Одни измеряемые прилетных испытаниях параметры должны характеризовать непосредственно либо косвенно внешние условия воздействия на исследуемый объект. Другие – должны позволять оценить характеристики исследуемого способа тепловой защиты, проконтролировать техническое состояние и установить причины неисправностей и отказов при летных испытаниях.

В связи с этим при разработке конструкции исследуемого образца необходимо учитывать противоречивые требования, заключающиеся, с одной стороны, в возможности применить выбранные средства измерения, а с другой стороны, исключать влияние измерительных датчиков на работоспособность и функционирование исследуемой конструкции тепловой защиты.

Большой интерес представляет анализ характеристик образцов теплозащиты после натурных испытаний. Для этого после летных исследований проводятся визуальный осмотр и обмер образцов материалов тепловой защиты, взвешивание их, послойный структурный анализ, определение физико-механических и теплофизических свойств. Осуществляется спектрографический послойный рентгеноструктурный анализ состава теплозащитного материала, а также проводится фотографирование образцов и микрофотографирование прококсованного слоя на различных расстояниях от внешней поверхности для уточнения механизма термического разложения материалов. Для ряда теплозащитных материалов на основе кремнеземных наполнителей результаты указанных лабораторных исследований могут быть использованы для нахождения распределения максимальных значений температуры по толщине прококсованного слоя путем установления зависимости между фазовым составом и температурой. В связи с этим способ крепления опытных образцов должен допускать их демонтаж после летных испытаний без повреждений. Для определения эффективной теплопроводности материалов используются результаты измерений температуры на различной глубине отсчитываемой от нагреваемой поверхности.

Коэффициент теплопроводности определяют исходя из кусочно-постоянной аппроксимации изменения этого коэффициента в исследуемом диапазоне температур . Максимальное число ступеней аппроксимации в этом случае обуславливается числом температурных измерений по толщине покрытия .

Для уточнения коэффициента теплопроводности материала вначале используют результаты измерений температуры в n-й и (n-1)-й точках, отсчитываемых от наружной поверхности. Коэффициент теплопроводности определяют путем численного решения уравнения теплопроводности, в качестве граничного условия которого принимается измерение температуры в (n-1)-й точке. При этом, варьируя коэффициент теплопроводности в каждой расчетный момент времени, сравнивают расчетную и измеренную температуры в n-й точке. Остальные исходные данные (плотность, удельная теплоемкость теплозащитного материала) считаются известными.

Процесс определения коэффициента теплопроводности, соответствующего средней температуре в интервале Т - Т , заканчивается при достижении наилучшего согласования между расчетным и измеренным значениями температур в n-й точке. После этого аналогично определяют коэффициент теплопроводности в интервале , причем можно варьировать искомый коэффициент в указанном интервале или в двух интервалах и . Таким образом, для каждого интервала температур решается задача оптимального определения коэффициента теплопроводности в диапазоне измеренных температур.

Известны способы измерения унесенной массы теплозащитного покрытия, основанные на использовании радиоактивных изотопов, на применении различных плавких вставок, расположенных на заданной глубине и приводящих к размыканию электрической цепи в момент выхода на омываемую поверхность из-за нарушения целостности вставки на поверхности разрушения. По радиотелеметрической информации можно определить момент нарушения целостности цепи термопары при уносе теплозащиты в месте ее установки. В связи с этим для дискретного определения толщины унесенного теплозащитного покрытия часто используется датчики профиля температур. За толщину унесенного теплозащитного покрытия в этом случае принимается глубина установки термопары в момент ее разрыва. Этот способ является наиболее предпочтительным, так как позволяет с помощью одного датчика измерять как температуру, так и толщину унесенного слоя теплозащитного покрытия. Погрешность определения толщины унесенного покрытия равна погрешности измерения глубины залегания термопар, определяемой по рентгеноснимку, составляющей не более 0,1 мм.

Рассмотрим в качестве примера более подробно методологию подготовки и проведения летных исследований на ЛМ системы пористой теплозащиты. Известно, что основными определяющими характеристиками процесса пористого охлаждения с применением газообразных и жидких хладагентов являются эффективность пористого охлаждения, характеризуемая безразмерной температурой пористой стенки , (где - начальная температура хладагента) и коэффициентом теплообмена на проницаемой поверхности .

Для правильной постановки эксперимента и обобщения результатов исследований необходимо определить критерии подобия, обусловленные поставленной задачей. Н а основе анализа уравнений, описывающих процессы тепломассообмена в пограничном слое, установлено, что для рассматриваемой задачи определяющими критериями являются числа Re, Pr, температурный фактор Т , число М, фактор вдува В= , - отношение молекулярных масс вдуваемого газа и набегающего потока. Критериальное уравнение в этом случае имеет вид

 

, (18)

Целью экспериментальных исследований является установление эмпирической зависимости коэффициента теплообмена от определяющих критериев. Для этого требуется проведение серий опытов, число которых зависит от общего числа определяющих критериев; в пределах серии изменяется одни из параметров при неизменных значениях всех остальных.

Другой способ состоит в установлении зависимости относительного числа Стантона от критериев подобия, характеризующих вдув массы хладагента в пограничный слой. Этот способ базируется на одинаковой зависимости числа Стантона на непроницаемой и пористой поверхности со вдувом St от основных критериев подобия, определяющих теплообмен на непроницаемой поверхности . В этом случае в экспериментах ищется зависимость

 

(19)

 

что существенно облегчает и удешевляет проведение исследований.

При подобном подходе методика экспериментального исследования теплообмена в пограничном слое при наличии вдува сводится к определению для условий летного эксперимента числа Стантона на пористой поверхности с вдувом St и на непроницаемой поверхности при одних и тех же значениях числе Re, Pr, M и температурного фактора.

Значение числа Стантона на исследуемом теле можно определить расчётным путем. Однако в этом случае не учитывается влияние на число

Стантона ряда факторов (неизотермичность, состояние поверхности и др.) В связи с этим целесообразно во время одного эсперемента при одних и тех же условиях проводить исследования процесса теплообмена не только на проницаемой поверхности при вдуве, но и на непроницаемой поверхности.

Методически данный вопрос решается путем установки в сходственных зонах на модели опытных участков для исследования теплообмена как при вдуве, так и при его отсутствии. Причём путем выбора соответствующей толщины непроницаемой стенки обеспечиваются одинаковые значения температурного фактора при исследовании теплообмена без вдува и на пористой поверхности со вдувом.

Чтобы получить как можно больше результатов и расширить диапазон исследований при ограниченном числе числе летных экспериментов, целесообразно размещать на одной модели несколько автономных опытных участков.

На рисунке 7 показана схема размещения простых участков на носовом конусе модели. Размер и конфигурацию опытных участков выбирают из условия минимально возможного искажения процесса теплообмена, обусловленного теплопередачей между корпусом модели и опытным участком.

Система измерений должна обеспечить измерение следующих параметров:

- давления в местах расположения опытных участков;

-давления и перепада давлений в линиях подачи хладагента;

-температуры пористых опытных участков;

-температуры хладагента в различных точках подачи;

-воздуха в приборном отсеке;

-холодных спаев термопар.

Предусматривается так же фиксация системой измерений выдачи и исполнения команд системой теплозащиты.

Датчики для измерения перечисленных параметров выбирают с учётом ожидаемого характера и пределов их изменения, в зависимости от работоспособности и требуемой точности измерения при летных экспериментах на ЛМ.

 

 

9. КАРТИНКИ И ГРАФИКИ К КУРСУ