Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах

• Автор: Середа, Геннадий Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 127 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ КЕРАМИКИ
1.1. Разновидности конструкционной керамики
1.2. Теоретические основы для исследования теплофизических свойств керамики
1.3. Технические средства высокотемпературных
теплофизических исследований конструкционных и

теплозащитных материалов
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КЕРАМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
2.1. Оптимизация эксперимента по применяемым критериям
2.2. Исходные условия эксперимента
2.3. Математические модели теплофизического эксперимента
2.4. Применение математических моделей для минизации
методической погрешности эксперимента
Выводы к главе
ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
3.1. Предпосылки создания
3.2. Установка радиационного нагрева
3.3. Средства управления режимом испытаний и
регистрации экспериментальных данных
3.4. Автоматизированное оборудование для определения ТФХ керамических материалов

3.5. Погрешность термопары системы управления нагревом
Выводы к главе
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ, СРЕДСТВА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В КЕРАМИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
4.1. Методика определения теплопроводности керамических материалов Ю
4.2. Результаты исследования теплопроводности керамик
на основе диоксида и нитрида кремния Ю
Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Актуальность темы. В современных изделиях различного назначения, в том числе ракетного и авиационного, широко применяют керамические материалы [1]. Применительно к антенным обтекателям керамические элементы обеспечивают оборудованию необходимые тепловую, прочностную защиту и работоспособность в требуемом радиодиапазоне. Увеличение скорости полета ракет в атмосфере приводит к возрастанию нагрузок на обтекатель, повышению температуры его поверхности до 1500-2000 К, интенсификации теплообмена в нём и снижению его теплозащитных и прочностных показателей. Для обеспечения безопасной эксплуатации бортового оборудования в этих условиях материаловеды вынуждены заниматься разработкой новых керамических материалов, а конструкторы -учитывать температурные зависимости характеристик конструкционных материалов в новом диапазоне эксплуатационных температур. Прогнозирование теплообмена в конструктивных элементах невозможно без знания их теплофизических характеристик (ТФХ). Вместе с тем, справочные данные по ТФХ керамических материалов известны, как правило, до 1100 К, а данные по ТФХ ряда перспективных материалов, например стеклокерамики и нитридной керамики, отсутствуют.
При разработке и поставках серийной продукции выполняется большой объём работ по контролю различных и в том числе теплофизических характеристик керамики. Стабильность ТФХ материалов может являться одним из существенных признаков соблюдения параметров технологического процесса. Поэтому процедуры определения ТФХ должны обладать достаточно высокой производительностью и точностью.
Одна из важнейших характеристик в оценке теплового режима
конструкции - коэффициент теплопроводности материала, рассчитываемый
по результатам косвенных измерений. В теоретическом плане его

теплопроводности, обусловленная неточностью задания параметров, используемых в решении ОЗТ.
Расчётные значения температур получают из решения методом конечных разностей прямой одномерной нестационарной задачи теплопроводности.
В практике теплофизических исследований определение заданной характеристики проводят на единичном образце. Оценку результатов эксперимента делают по полученному значению искомой величины и методической составляющей погрешности, которая является абсолютным параметром и не в полной мере информативна. Такой подход оправдан для уникальных или единичных работ. При определении свойств серийной продукции или оценки процесса изготовления её целесообразны исследования заявленных характеристик на выборках различного объёма образцов и обработка результатов эксперимента по показателям статистиковероятностного подхода [68]. Это - среднее выборочное значение коэффициента теплопроводности }.ср, и относительная погрешность его определения Си для каждой из ряда заданных температур 7} эксперимента. Указанные параметры определяют по следующим формулам:
где п - объём выборки; Ху - рассчитанное у'-е значение X из выборки, относящейся к 7}; 1а — значение коэффициента Стыодента для заданного объёма выборки и доверительной вероятности а.
При описании температурной зависимости коэффициента теплопроводности исследуемого материала полиномом вид расчётных формул сле^ттий- т ”
где ех - приведённая погрешность эксперимента; Хср - средневзвешенное или среднеинтегральное значение коэффициента теплопроводности в диапазоне температур измерения; т - количество точек измерения X;

(2.3)
тхпх(тхп-1) ср’ (2.4)