5.6. Оздействие многофазных потоков на композиционные материалы

Инерционное выпадение частиц окиси алюминия происходит при резких поворотах потока в предсопловом объеме и в концевых частях сопел определенных профилей.

Обычно принимают аддитивными воздействия газовой и конденси­рованных фаз ввиду сложностей взаимодействия двухфазных потоков с материалами. Исходя из особенностей инерционного осаждения частиц в предсопловом объеме, на вершину утопленной части сопла и концевые части профилированных сопел взаимодействие с композиционными материалами можно условно разделить на два типа:

низкоскоростное, определяющим в котором являются химические реакции окиси алюминия с материалами;

высокоскоростное, определяющим в котором является механичес­кая эрозия поверхностного слоя при ударах частиц.

Турбулентное осаждение частиц в пограничном слое может существо­вать по всему тракту двигателя, но массовая скорость его незначитель­ная и не всегда приводит к уносу материалов.

Низкоскоростное взаимодействие происходит при их выпадении на элементы корпуса и вершину утопленной части сопла, причем, варьируя геометрией заряда, можно избежать осаждения конденсата в корпусе, но избежать воздействия окиси алюминия с материалами вершины утоп­ленной части сопла невозможно.

Химическое взаимодействие окиси алюминия с углеродом при вы­соких температурах представляет собой сложный многостадийный про­цесс, сопровождающийся образованием оксикарбидов и карбидов алю­миния. Идеализированную модель процесса можно представить в следую­щем виде [16, 20] (Т>800 К):

С+А1₂О₃А1₄О₄СА1₂ОСА1₄СА1.

В ходе взаимодействия возможны различные реакции, зависящие от температуры (например, устойчивый карбид А1₄С образуется при Т=1973...2073 К) и доступа компонентов газовой фазы продуктов сгорания в пограничном слое.

Расчетные методы определения массовой скорости уноса углеграфитовых материалов вершины утопленной части сопла при взаимодействии с осаждающейся окисью алюминия в условиях отсутствия сплошности жидкой пленки на смачиваемой (углепластик) и несмачиваемой (гра­фит, углерод-углеродный композит) поверхностях еще далеки от за­вершения.

В инженерных расчетах приемлемыми оказались эмпирические со­отношения в которых значения опытных коэффициентов получают экспериментальна но на модельных двигателях с предварительным получением массовом скорости осаждения конденсата т_р.

При выполнении расчетных оценок массовой скорости уноса необходимо учитывать возможное содержание в конденсированной фазе неокисленного алюминия, что может быть в начальные моменты времени работы двигателя при малых расстояниях от вершины сопла до поверхности заряда. Согласно работе [16] жидкий алюминий начинает смачивать графит при Т=1473 К, при этой же температуре начинается унос графита, и умеренное исчезновение графита происходит при Т=1973...2073 К. При более высоких температурах возможен катастрофический унос углерода при взаимодействии с жидким алюминием.

На скорость эрозии композиционных материалов при многократном соударении влияют следующие факторы [30, 39]:

условия соударения (скорость частиц, их форма, угол соударения, концентрация частиц, их распределение по размерам);

характеристики материала частиц (плотность, скорость волны сжатия, вязкость, поверхностное натяжение) ;

характеристики материала конструкции (плотность, скорость волны сжатия, скорость волны сдвига, модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел усталости, динамические пределы прочности на растяжение, сжатие и сдвиг, шероховатость поверхности, ее поверхности, толщина слоя материала).

Для концевой части сопла характерно воздействие не одиночными соударениями частиц, а многократное потоком близко расположенных частиц ввиду большого значения массовой доли конденсата в продуктах сгорания современных топлив (z=0,3...0,4). В этом случае возникает экранирующий эффект падающим частицам вследствие отраженных от стенки осколков ранее ударившихся частиц и осколков разрушаемого материала, а также ввиду возможного течения жидкой пленки осевших частиц.

При воздействии частиц со скоростью v_p700 м/с на пластики с наполнителями из углеродных волокон и стекловолокон установлены три главные зоны разрушения:

поверхностное разрушение, при котором повреждения концентрируются на неоднородностях композитов (поры, пересечение волокон с поверхностью трещин вдоль волокон);

разрушение сжатия, связанное с концентрацией напряжений из-за различий деформации матрицы и волокон наполнителей;

расслоение и скол по слоям, вызываемое рядом механизмов — касательными напряжениями при изгибе и при распространении волны напряжения, через волокна, а также растягивающими напряжениями; из-за расхождения волны сжатия при движении ее по толщине материала и отражении на неоднородностях.

Анализ известных данных по эрозии упругих материалов при воздействии дождевых капель без нагрева мишени привел к созданию эм­пирических методов расчета уноса массы [30].

Многократное взаимодействие капель с материалами оценено двумя параметрами:

параметром "прочности"

,

где -предел прочности на изгиб;-эмпирическая константа;v-коэффициент Пуассона;

напряжением на поверхности

,

где а - скорость звука; — угол соударения; индекс L относится к жид­кости частиц, индекс s — к твердому телу.

Зависимости для расчета времени скрытого периода и скорости уноса массы определены как эмпирические функции от величины P/S по обширным опытным данным. Такой подход распространен и на ма­териалы с расположением волокон наполнителя перпендикулярно по­верхности с модификацией выражения для параметра S.

Методологию работы [30] не всегда можно распространить на слу­чай эрозии композиционных материалов концевых частей сопел ввиду неупругости прококсованного слоя, большой эрозии при малых _а и малых углов соударения частиц с шероховатой поверхностью, что может вызвать большие тангенциальные напряжения. Те частицы, которые пройдут барьерный слой из осколков продуктов взаимодействия, могут ударяться с элементом шероховатости под любым случайным углом, так как диаметр частиц d_p5 мкм, а высота элемента шероховатости =40...150 мкм.

Массовая скорость уноса под воздействием капель одинакового диа­метра d определена зависимостью

,

где т измеряется в кг/(м²*с); q — число капель на единичный объем Дождя, капли/м³.

Из формулы следует, что т~u, и это указывает на еще невысокие значения скоростей взаимодействия.

При больших скоростях соударения наступает участок линейной зависимости скорости уноса от квадрата скорости соударения, т.е. от кинетической энергии частиц*.

Таким образом, унос массы отсутствует при низких скоростям соударения, затем наступает сильно нелинейный участок взаимодействия, а при дальнейшем росте скорости соударения наступает участок линейной зависимости (рис. 5.28).

Обобщенная зависимость относительной скорости уноса имеет вид

,

где — критическая скорость соударения, определяющая начало унося массы;К — эмпирический коэффициент для класса материала и его свойств; — эмпирическая константа материала, аналог эффективнойэнтальпии при взаимодействии с чисто газовыми потоками, определяемая экспериментально.

__________________

*Полежаев Ю.В. Процесс установления эрозионного разрушения материал преграды при многократном соударении с частицами t ИФЖ, 1979. Т. 37, № 1 С 389-394.

Для расчета разрушения материалов концевых частей сопел, подверженных высокоскоростному соударению с частицами, такой подход является оправданным, но существуют значительные трудности при анализе опытных данных по уносу для определения эмпирических констант К и Н_эр. Основной входной параметр U, а также массовая скорость осаждения частиц т_р могут быть приближенно определены только расчетным путем из решения систем уравнений газодинамики многофазном среды. Истинные значения U_p и т_р в стендовых работах определить расчетным путем не всегда возможно из-за наличия толстого пограничного слоя на выходных участках сопел, ряда допущений о дисперсности конденсированной фазы и погрешностей численного интегрирования.

Поэтому в инженерных расчетах находят эмпирические зависимости, связывающие скорость уноса массы материалов при высокоскоростном взаимодействии с энергетическими и геометрическими характеристика ми профилированных сопел. Для сопел с угловой точкой, материалы выходных участков которых могут быть подвержены выпадению конденсированной фазы, важной геометрической характеристикой определения координаты начала выноса конденсата на стенку служит величина ,т.е. разность значений начального угла профиля за угловой точкой и углов и в j-х сечениях концевой части.

Многократность соударения частиц со стенкой сопла и возникающий при этом экранирующий эффект уменьшают скорость уноса и коэффициент аккомодации кинетической энергии по сравнению со случаем удара одиночной частицей.

Рис. 5.28. Зависимость массовой скорости уноса стеклопластика от скорости соударёния с частицами:

1 - диаметр частиц 5000 мкм; 2 - диаметр частиц 500 мкм; 3 - .

Рис. 5.29. Экранирующий эф­фект многократного соударе­ния (по данным В.Н. Шебеко):

1 - алюминий; 2, 3 - стекло­пластики; — масса частиц вединице объема

По мере увеличения массовой скорости осаждения происходит су­щественное снижение относительной скорости уноса (рис. 5.29).

Кроме определения скорости уноса при высокоскоростном соуда­рении частиц с материалами концевых частей сопел необходимо вычис­лить и нестационарное температурное поле конструкции. В граничном условии краевой задачи теплопроводности появляется член, учитываю­щий переход кинетической энергии частиц в тепловую:

.

Определение значения коэффициента аккомодации является крайне сложной задачей, так как оно зависит от плотности потока частиц, ве­личины , угла соударения и ряда других параметров. Из физичес­ких соображений ясно, что по мере нарастания плотности потока частиц и массовой скорости эрозии значение Кдолжно уменьшаться. При взаимодействии частиц диаметром 100...200 мкм, летящих по нормали к титановой преграде со скоростью 900...2500 м/с, значение К=0,7, в условиях РДТТ [2] К=0,3. Значение К=0,7 соответствует ма­лым значениям массовой скорости уноса и его можно принять как на­чальное значение при т_у0. По мере увеличения т_у значение коэффи­циента аккомодации должно уменьшаться.

Задача создания модели процесса эрозионного разрушения композиционных материалов при высокоскоростном многократном соударении с частицами и нагреве газовой фазой еще не решена, и определяющим в ряде случаев является стендовая обработка двигателей.