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+А1₂О₃ А1₄О₄С А1₂ОС А1₄С А1.

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_p 700 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_p 5 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 эффективной энтальпии 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 в единице 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 К должно 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_у 0. 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.