Моделирование процессов теплопроводности в полимерных композиционных материалах при высоких температурах

• Автор: Кудоярова, Вилина Маратовна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 155 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Методика расчета параметров атмосферы, траектории спуска и тепловых потоков, подведенных к космическому спускаемому аппарату

1.1. Постановка задачи

1.2. Космические спускаемые аппараты и их характеристики

1.2. Методика для расчета параметров атмосферы земли

1.2.1. Состояние вопроса по определению параметров атмосферы

1.2.2. Расчетные соотношения для определения параметров атмосферы и полученные результаты
1.3. Методика расчета баллистической траектории спуска для космического спускаемого аппарата
1.3.1. Состояние вопроса по расчету траектории спуска для космического спускаемого аппарата
1.3.2. Расчетные соотношения для расчета баллистической траектории космического спускаемого аппарата
1.3.3. Результаты расчета
1.4. Методика расчета тепловых потоков, действующих на поверхность космического спускаемого аппарата
1.4.1. Состояние вопроса по определению тепловых потоков на поверхности космических спускаемых аппаратов
1.4.2. Методика определения числа Кнудсена и полученные результаты
1.4.3. Методика вычисления числа Рейнольдса и полученные результаты
1.4.2. Расчетные соотношения для расчета тепловых потоков, действующих на поверхности космического спускаемого аппарата
1.4.3. Результаты расчета
1.5. Полученные результаты и выводы к главе
2. Математическое моделирование потери массы полимерного композиционного материала
2.1. Постановка задачи
2.2. Состояние вопроса по определению потери массы полимерных композиционных материалов
2.3. Математическая модель потери массы материала тепловой защиты из полимерного композиционного материала
2.4. Полученные результаты и выводы к главе
3. Математическое моделирование физикохимических процессов в полимерном композиционном материале при высокой температуре
3.1. Постановка задачи и состояние вопроса по определению физикохимических процессов, происходящих на поверхности полимерных композиционных материалов
3.2. Качественное описание процесса термической деструкции
3.3. Модель физикохимических процессов на поверхности тепловой защиты из полимерного композиционного материала
3.3.1. Физикохимические процессы при термодеструкции стеклопластика на основе фенолоформальдегидного связующего
3.3.2. Расчет поглощения теплоты при термодеструкции стеклопластика на основе фенолоформальдегидной смолы
3.4. Полученные результаты и выводы к главе
4. Методика расчета нелинейной нестационарной задачи теплопроводности с учетом физикохимических превращений и потери массы
4.1. Постановка задачи
4.2. Состояние вопроса по расчету нелинейной нестационарной задачи теплопроводности с учетом физикохимических превращений и потери массы
4.3. Математическая модель для описания процесса нелинейной нестационарной теплопроводности с учетом физикохимических превращений и потери массы
4.3.1. Метод конечных разностей для решения одномерной задачи нелинейной нестационарной теплопроводности
4.3.2. Формирование уравнения теплопроводности с учетом термодеструкции материала
4.3.2.1. Температурное поле в материале
4.3.2.2. Тепловые потоки через грани элементарного
параллелепипеда
4.3.2.3. Поглощение теплоты за счет теплоемкости
4.3.2.4. Отток тепла за счет термодеструкции материала
4.3.2.5. Уравнение теплопроводности для полимерного композиционного материала
4.3.3. Уравнение теплопроводности для полимерного
композиционного материала с учетом физикохимических превращений и потери массы
4.3.4. Разностный аналог уравнения теплопроводности с учетом уноса теплоты с уходящими газами при термодеструкции
4.3.5. Результаты расчета
4.4. Эталонная задача теплопроводности
4.4.1. Выбор дифференциального уравнения теплопроводности
4.4.2. Задание температурного поля в пластине
4.4.3. Определение источника тепла ц
4.4.4. Результаты расчета
4.5. Оценка погрешности используемого разностного метода
4.5.1. Вводная часть
4.5.2. Теоретические основы
4.5.3. Верификация методов оценки погрешности. Повторная
экстраполяция
4.5.3.1. Критерий качества оценки погрешности
4.5.3.2. Оценка погрешности методов повторной экстраполяции
4.5.4. Численный эксперимент
4.6. Полученные результаты и выводы главы
Заключение
Литература


Предложенный комплексный подход при разработке предложенной математической модели теплопроводности в ПКМ находит применение при решении задач, связанных с работой ПКМ в условия высокотемпературного воздействия, таких как, например, тепловая защита из ПКМ объектов, работающих в условиях высокотемпературного нагрева, теплонапряженность тепловых печей в нефтехимической промышленности и т. Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано печатных работ. В первой главе проведен обзор работ по видам форм космических спускаемых аппаратов, расчету траектории движения космических спускаемых аппаратов, параметрам атмосферы Земли, расчету чисел Кнудсена, Рейнольдса и тепловых потоков, действующих на поверхность спускаемого аппарата, расчета траектории полета с учетом изменения плотности и ускорения свободного падения по высоте спуска. Проведены расчеты траектории и тепловых потоков, действующих на поверхность космического спускаемого аппарата. Результаты расчетов, полученные в этой главе, служат исходными данными для дальнейших расчетов. Во второй главе диссертации разработана математическая модель потери массы материала тепловой защиты при высокотемпературном нагреве для стеклопластика на фенолоформальдегидном связующем КТКФ. Разработан алгоритм определения параметров данной модели по результатам испытаний при линейных законах нагрева. Произведена проверка точности модели путем сравнения расчетных и экспериментальных результатов. В третьей главе разработана математическая модель физикохимических процессов, происходящих на поверхности тепловой защиты при высокотемпературном нагреве. В качестве теплозащитного материала из полимерного композиционного материала рассматривается стеклопластик на фенолоформальдегидном связующем. Данная математическая модель важна для определения процессов теплообмена на поверхности тепловой защиты. Экспериментальные данные продуктов разложения для стеклопластика на основе фенолоформальдегидной смолы взяты из литературы. На основе их построена расчетная схема для определения теплового эффекта термодеструкции для конкретного вида стеклопластика при нагреве. Определен тепловой эффект физикохимических превращений на поверхности тепловой защиты космического спускаемого аппарата. В результате получен график зависимости теплового эффекта разрушения фенолоформальдегидной смолы в зависимости от температуры нагрева. В четвертой главе разработана методика расчета нелинейной нестационарной задачи теплопроводности с учетом физикохимических превращений и потери массы. Решена эталонная задача с учетом внутреннего объемного источника тепла и зависимостей теплофизических характеристик материала от температуры. Разработан алгоритм оценки погрешности решения, основанный на результатах расчета при различных сетках. На базе построенной разностной сетки рассчитано температурное поле в исследуемом стеклопластике с учетом физикохимических превращений, потери массы. Данная методика позволяет рассчитывать реальные температурные поля в полимерных композиционных материалах, работающих условиях высоких температур. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ, ТРАЕКТОРИИ СПУСКА И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ, ПОДВЕДЕННЫХ К КОСМИЧЕСКОМУ СПУСКАЕМОМУ АППАРАТУ 1. Для разработки математической модели, описывающей процессы, происходящие в стеклопласта ков ой тепловой защите при воздействии высокотемпературного набегающего потока газа на поверхность космического спускаемого аппарата КСА необходимо знать тепловые потоки, воздействующие на поверхность тепловой защиты КСА. Поэтому первоначально нужно рассчитать параметры атмосферы, траекторию полета, скорость спуска КСА в каждый момент времени и на любой высоте в диапазоне высот от 0. КСА. В данной главе ставится задача разработать методику для вычисления параметров атмосферы, траектории спуска космического спускаемого аппарата и тепловых потоков, подведенных к поверхности КСА. А также разработать методику и программу для расчета скорости входа спускаемого аппарата в атмосферу Земли, траектории спуска космического спускаемого аппарата, вычисления суммарного времени спуска в атмосфере Земли и получить графики зависимостей скорости полета от высоты, высоты полета от времени и дальности полета от времени, суммарного теплового потока, действующего на поверхность КСА.