Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Середа Геннадий Николаевич

ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КЕРАМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Специальность 01.04. 14 -Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г г апр 2015

005567624

Обнинск-2015

005567624

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Резник Сергей Васильевич Официальные оппоненты: Петров Вадим Александрович - доктор

Защита состоится 18 мая 2015 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национ&чьного исследовательского университета) (МАИ), по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета) http://www.mai.ru/events/defence/.

Ведущая организация

технических наук, профессор, МГТУ-МИРЭА, профессор

Зуев Андрей Владимирович - кандидат технических наук, ФГУП ГНЦ «ВИАМ», заведующий лабораторией ОАО «Композит», г. Королёв, Московская обл.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.125.08

д.т.н., профессор

Зуев Юрий Владимирович

Общая характеристика работы

Актуальность. В современных изделиях различного назначения, в том

числе ракетного и авиационного, широко применяют керамические материалы. Антенные обтекатели (АО) из керамики обеспечивают оборудованию необходимые тепловую, прочностную защиту и радиопрозрачность. 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 изменение 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 для ряда перспективных материалов, например, стеклокерамики и нитридной керамики, отсутствуют. Для контроля продукции методы определения ТФХ должны обладать достаточно высокой производительностью и точностью. Одна из важнейших характеристик в оценке теплового режима конструкции - коэффициент теплопроводности материала, определяется по результатам косвенных измерений с помощью, аппарата обратных задач математической физики.

Традиционные методы определения этой характеристики и их матема-тико-алгоритмическое обеспечение основаны на стационарных или регулярных режимах одномерного теплообмена образца исследуемого материала, а экспериментальные установки достаточно сложны, особенно, когда это касается измерений при высоких температурах. Продолжительность испытаний образца достигает десятков часов, что может привести к изменению структуры керамики и ТФХ. Измерения высоких температур заставляют применять дорогие платиносодержащие термопары. Экспериментальные

образцы нужных размеров необходимо изготавливать из образцов-свидетелей, характеристики которых могут отличаться от характеристик материала изделия. Всё выше перечисленное делает традиционные методы определения коэффициента теплопроводности керамик при высоких температурах излишне трудоемкими и недостаточно информативными.

В последнее время получили развитие методы определения ТФХ при нестационарном теплообмене экспериментального образца, основанные на решении нелинейных коэффициентных обратных задач теплопроводности (КОЗТ). Они имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными методами, но применение соответствующих вычислительных программ вызывает затруднения у пользователей из-за их сложности. Эффективным инструментом в реализации преимуществ новых методов являются математические методы оптимизации теплофизического эксперимента. Его моделирование пока недостаточно проработано в выборе режимов испытаний, формы и размеров образцов, характеристик испытательного оборудования и планировании измерений, недостаточен уровень метрологического обеспечения. Отдельные виды моделирования применяются разобщённо, а не как части единой методологии.

Таким образом, в настоящее время актуальна разработка и реализация новых методов и средств определения ТФХ материалов керамических обтекателей, одновременно обладающих высокой производительностью и точностью, отвечающих возможностям современной техники.

Вопросы, рассмотренные в диссертации, были включены в тематические планы НИР, проведенных в ОНПП «Технология» в 2000 - 2014 гг. при поддержке Росавиакосмоса и Минобрнауки РФ, что нашло отражение в научно-технических отчетах по этим темам.

Цель работы: Определение коэффициентов теплопроводности конструкционной керамики в области температур 300 - 1673 К и темпов нагрева до 5 град/с на основе комплексного - математического и физического моде-

лирования тепловых процессов в экспериментальных образцах материалов и измерительных узлах стенда теплофизических исследований с установкой радиационного нагрева.

Задачи исследования:

- Оптимизация эксперимента на основе моделирования теплообмена в керамических материалах при одностороннем радиационном нагреве образцов до температуры 1673 К.

- Разработка физических и математических моделей прогнозирования теплообмена для выбора режимов нагрева, формы и размеров образцов, параметров оборудования, оценки погрешностей эксперимента.

- Разработка автоматизированного стенда теплофизических исследований керамических материалов с установкой радиационного нагрева образцов в области измерения температуры 300-1673 К и темпов нагрева до 50 град/с.

- Разработка методики определения эффективного коэффициента теплопроводности, получение новых расчетно-экспериментальных данных о теплопроводности исследуемых материалов, оценка погрешностей их определения и анализ закономерностей теплообмена в керамических материалах по результатам проведённых экспериментов.

Объектом исследования является коэффициент теплопроводности -характеристика теплообменного процесса в материале, определяемая в условиях одностороннего нагрева образца, и соответствующее экспериментальное оборудование.

Предмет исследования - керамические материалы на основе диоксида кремния и нитрида кремния.

Научный базис для решения проблемы. Выбор и разработка методов достижения поставленной цели осуществлены автором с учетом основных достижений в области теплофизических исследований ОИВТ РАН, ВИАМ, ИТМО им. A.B. Лыкова, ИТФ СО РАН им. С.С. Кутателадзе, МАИ, МГТУ

им. Н.Э. Баумана, МГУ им. М.В. Ломоносова, МЭИ, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского и других организаций.

Методы исследований. В диссертации использованы методы математического и физического моделирования и методы оптимизации.

Научная новизна:

1. Впервые при исследовании теплопроводности керамических материалов научно обоснован подход к оптимизации теплофизического эксперимента с применением критерия оценки минимизации затрат.

2. Разработана математическая модель сопряжённого радиационно-кондуктивного теплообмена в элементах конструкции стенда радиационного нагрева, позволившая выбрать форму и размеры образцов исследуемых материалов, режимы их испытаний, а также оптимизировать мощность электрических нагревателей.

3. Предложена методика оценки погрешности определения теплопроводности материала с использованием статистико-вероятностных критериев.

4. Разработана методика определения коэффициентов теплопроводности новых термостойких керамик на основе диоксида кремния и нитрида кремния при температурах до 1673 К с погрешностью, не превышающей 7%.

Практическая значимость:

1. Создан автоматизированный стенд теплофизических исследований керамических материалов с односторонним радиационным нагревом образцов в диапазоне изменения температур 300-1673 К и темпов нагрева до 50 град/с, удовлетворяющий условиям экспериментов с сохранением паспортной (исходной) структуры и свойств исследуемых материалов.

2. Получены расчетно-экспериментальные данные по теплопроводности перспективных керамик на основе диоксида кремния и нитрида кремния марок НИАСИТ-8ПП, ОТМ-357, ОТМ-904 в диапазоне температур 3001673 К и темпа нагрева 5 град/с, использованные в теплопрочностных рас-

чётах элементов конструкций авиационной и ракетно-космической техники.

3. Разработанные и апробированные математические модели, методы и средства исследований используются для определения коэффициентов теплопроводности керамических материалов антенных обтекателей, создаваемых в ОАО «ОНПП «Технология».

4. Проведенные в данной работе исследования и разработанное на их основе оборудование, методы и средства позволили повысить температуру определения коэффициента теплопроводности перспективных керамических материалов с 1100 до 1673 К и более чем на два прядка величины сократить время проведения эксперимента, в двадцать пять раз уменьшить расход электроэнергии, потребляемой в эксперименте.

Внедрение. Разработанные программы, методика, испытательное оборудование и результаты математического, физического моделирования используются для определения коэффициентов теплопроводности керамических материалов для АО в ОАО «ОНПП «Технология».

Достоверность результатов, полученных на моделях и образцах керамических материалов, подтверждается высоким уровнем метрологического обеспечения на автоматизированном стенде с современным математическим программным обеспечением и хорошим согласием данных по теплопроводности керамик настоящей работы с экспериментальными данными, полученных традиционными методами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методология организации теплофизического эксперимента при определении коэффициентов теплопроводности керамических материалов.

2. Алгоритмы и программы решения прямых тепловых и теплопрочност-ных задач, обеспечивающие моделирование и оптимизацию режима испытаний, с учетом возможностей испытательного оборудования, ожидаемых характеристик, размеров и формы образцов исследуемого материала.

3. Результаты оценки области корректного применения решений одномерной коэффициентной обратной задачи теплопроводности по режимам

нагрева, тепловым потокам и габаритным размерам применяемых образцов из оксидной и нитридной керамик.

4. Модели и алгоритмы определения погрешностей контактных датчиков и планирования измерений, обеспечивающие высокую точность идентификации параметров теплопереноса целенаправленным выбором количества и мест установки датчиков и коррекцией экспериментальных термограмм.

5. Технические решения по конструкции экспериментального оборудования, системам управления режимами испытаний, измерения, сбора и подготовки данных эксперимента для определения теплопроводности материалов натурных конструкций при температурах до 1673К, темпах нагрева до 50 К/с.

6. Форма образцов для проведения теплофизических экспериментов, позволяющая использовать материал припусков изделий.

7. Методика определения коэффициента теплопроводности керамических материалов в области 300 - 1500К с темпом нагрева 5 К/с.

8. Данные о теплопроводности стеклокерамики, нитрид-кремниевой керамики и кварцевой керамики при температурах от комнатной до 1423 К, 1573 К, 1673 К соответственно.

Личный вклад автора состоит в формулировке основных подходов в постановке экспериментальных исследований ТФХ, разработке методов моделирования, анализе и обобщении полученных данных, обоснованию и проверке схемных решений по автоматизированному стенду теплофизических исследований. Все основные результаты и выводы получены лично автором.

Апробация результатов работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались автором на международных и всероссийских научных конференциях: 2-я Международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы», Москва, 2003 г.; 27-й Сибирский теплофизический семинар. Москва-Новосибирск, 2004 г., 16-я научно-техническая конференция стран СНГ по

проблеме «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», Обнинск, 2004 г.; международный научный симпозиум «Передовые технические системы и технологии», Севастополь, Крым, Украина, 2005 г.; международный научный симпозиум «Теплофизика и термодинамика ракетно-космических систем», Москва, 2005 г.; 3-я и 4-я Международные конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», п.п. Кацивели, Понизовка, Жуковка, Крым, Украина, 2004, 2006, 2010 г.г.; 3-я международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы», Москва, 2007 г.; 3-я международная конференция «Аэрокосмические технологии», посвященная 100-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея, Москва, 2014 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ в виде статей в научно-технических журналах, 3 из списка ВАК, и тезисов докладов в сборниках конференций за период 2004 - 2014 гг.

Структура и объём диссертации. Диссертация имеет общий объем 127 страниц, состоит из введения, 4-х глав и заключения, в том числе содержит 55 рисунков, 4 таблицы, а также библиографию из 85 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность разработки новых методов определения ТФХ керамических материалов при температурах выше 1300 К на основе решения КОЗТ, применения одностороннего радиационного нагрева образцов и новых измерительно-информационных и управляющих систем. Сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, представлены положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава носит обзорно-аналитический характер, раскрывает современное состояние исследований ТФХ керамических материалов АО, испытательного оборудования, средств измерения параметров объекта исследований и управления тепловыми режимами испытаний. Рассмотрены ме-

тоды решения обратных задач для определения ТФХ материалов с низкой теплопроводностью. Отмечено, что в последние годы эти методы стали активнее применяться в лабораторных исследованиях при температурах выше 900 К, но они еще недостаточно используются в промышленности. Признано целесообразным для контроля ТФХ материалов АО использовать программу решения КОЗТ 1СР-3, разработанную в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Глава завершается формулировкой цели и задач настоящей работы.

Вторая глава посвящена разработке методологии теплофизического эксперимента, включая выбор условий применения программы 1СР-3, проектирование нагревателя с галогенными лампами накачивания, выбор формы и размеров экспериментального образца, оценку погрешностей эксперимента.

Оптимальное планирование теплофизического эксперимента заключалось в формировании структуры (иерархии) приоритетов и пошаговом выполнении их на условиях минимизации затрат. Предложена структура следующего вида: «исходные условия - модели эксперимента - образец - технические и методические средства реализации эксперимента - результат».

Применительно к данной работе исходными условиями являлись:

- температурная область исследования параметров: 300-1673 К;

- способ нагрева образца материала - нестационарный, односторонний, радиационный, сокращающий продолжительность испытаний до нескольких минут и исключающий возможное изменение структуры исследуемого материала в процессе нагрева;

- средство расчёта ТФХ материала - программа решения одномерной нестационарной КОЗТ 1СР-3 с применением экспериментальных данных трёх первичных преобразователей одного типа, установленных в образце;

- форма образца материала - сплошная или составная пластина (диск) толщиной 5-10 мм с отношением толщины к большему линейному размеру равным 1/8 для создания условий одномерного теплопереноса - унифицированная по размерам с образцами для других видов испытаний;

— способ оценки результатов эксперимента — статистико-вероятностный.

В основу эксперимента положен способ одностороннего нагрева образца материала по регулярному режиму 2-го рода посредством управляющей термопары Tw0(i), закрепленной на его фронтальной поверхности, и измерений в процессе испытаний температур в нескольких точках образца (не менее трёх), разно удалённых от поверхности нагрева.

Температурная зависимость коэффициента теплопроводности материала определялась с помощью программы решения КОЗТ ICP-3, построенной на условиях минимизации функционала невязки S(u) экспериментальных Т'(у„,х) и расчётных T(yn,z) температур в местах установки датчиков у„ в течение всего эксперимента:

tau Д7

min5(й) = J£(Т(у„,т)-ТЦуп,г))2dz <е2м, о »-1

где ем - погрешность, обусловленная погрешностями вычислений, неточностью задания исходных данных и погрешностями измерения температуры.

Принципиальная схема эксперимента представлена на рисунке 1.

(Тпо)

1 - образец исследуемого материала; 2 — термопары; 3 — холодильник

Рисунок 1- Схема эксперимента по определению ТФХ керамических материалов

Показателем уровня оптимизации эксперимента является приведённая погрешность определения коэффициента теплопроводности £х. Её можно представить в виде методической £м и случайной <Г„ составляющих:

Случайная погрешность связана как с качеством подготовки образца к эксперименту, так и с разбросом определяемых характеристик в материале образца. Методическая составляющая погрешности эксперимента обусловлена точностью расчёта коэффициентов теплопроводности самой программой 1СР-3, размерами, формой образца и граничными условиями на его поверхностях, возможным искажением температурного поля в образце от установленных в нём термопар. Она может быть предварительно оценена и минимизирована методами математического моделирования.

Методическую погрешность эксперимента определяют по формулам:

П /1х(и-1) '

где п - объём выборки; кср - среднее выборочное табличное значение X;

>7 - табличное и рассчитанное значения X из выборки, относящейся к Т-, 1а - значение коэффициента Стьюдента для заданного объёма выборки и доверительной вероятности а.

Перечень моделей для оптимизации условий применения программы 1СР-3 и решаемые ими задачи в порядке применения приведены ниже:

- математическая модель одномерного теплообмена в неограниченной пластине для выбора уровня необходимых тепловых потоков, режима нагрева, толщины и формы образца;

- математическая модель трёхмерного сопряжённого радиационно-кондуктивного теплообмена в системе «внешний источник тепла - конструктивные элементы» для проектного расчёта нагревательной установки и выбора формы образца - пластины исследуемого материала;

- двухмерная модель кондуктивного нестационарного теплообмена в пластине конечных размеров для оценки погрешностей влияния термопар на ее температурное состояние в процессе испытаний.

Граничные условия на фронтальной поверхности образца задавали темпом нагрева Кь на тыльной поверхности - постоянным коэффициентом теплоотдачи аь. С учётом симметрии образца на внешних боковых поверхностях задавали постоянные в процессе расчёта коэффициенты теплоотдачи ах, аг. внутренние боковые поверхности его считали теплоизолированными,

^=0.51=0.

дх дг

Результаты оптимизации эксперимента в порядке усложнения условий моделирования приведены на рисунках 2 — 6.

2,5

1,5 1

См, %

№ 1 герации

0 1 2 3 4 5 6

Рисунок 2 - Зависимость методической погрешности от номера расчетной итерации программы 1СР-3

1,8 1,б 1,4 1,2 1

0 1 2 3 4 5 6

Рисунок 3 - Зависимость методической погрешности £м от глубины расположения промежуточного датчика температуры в образце у для различных значений коэффициента теплоотдачи тыльной поверхности а Из приведённой на рисунке 2 зависимости молено сделать вывод, что в пределах 2-5 итераций методическая погрешность не превышает 2% и в но-

следующих расчётах наиболее достоверные результаты определения теплопроводности соответствуют этой области итерационного процесса.

Приведённые на рисунке 4 результаты показывают, что эта составляющая погрешности изменяется в пределах 2,2 - 1,3 % при коэффициентах теплоотдачи тыльной поверхности образца от 0,1 до 100 Вт/(м2-град) и изменениях толщины образца от 3 до 10 мм. Такой результат позволяет ограничить дальнейшие исследования образцами толщиной 7 мм, которая соответствует массовому типоразмеру образцов, применяемых и для других испытаний.

•

* ЕМ, % 1

• -о

о 5 10 15 20 25 30

Рисунок 4 - Зависимость £м. средней по коэффициенту а, от темпа нагрева фронтальной поверхности образцов толщиной 3; 7; 10 мм

Оценки влияния коэффициента теплоотдачи аь тыльной поверхности

образцов исследуемых материалов толщиной 7 мм на £„ для V, = 5 К/с приведены на рисунке 5.

2.5 2,0 1,5 1,0 0,5

-2 -1 0 1 2 а з

1 - кварцевая керамика; 2 - нитрид кремния; 3 - стеклокерамика Рисунок 5 - Зависимости £м от аь образцов исследуемых материалов

Результаты моделирования показали, что погрешность определения коэффициентов теплопроводности исследуемых материалов Е„ не превышает 2,5 %. Влияние отвода тепла через боковую поверхность образца на точность определения теплопроводности показано на рисунке 6.

од : ю 1оо«х-Вт-(м--К)

1- кварцевая керамика; 2- стеклокерамика; 3- нитрид кремния Рисунок 6 - Зависимость £м определения коэффициента теплопроводности от коэффициента теплоотдачи боковой поверхности образца ах Расчёты, выполненные по трёхмерной модели радиационно-кондуктивного теплообмена в горячей зоне установки, показали, что обеспечение плотности поглощённого образцом теплового потока до 200 кВт/м2 может быть реализовано однорядным блоком галогенных ламп накаливания и темп нагрева фронтальной поверхности образца в пределах 2,5-10 град/с является достижимым. Анализ результатов позволил ограничить дальнейшие исследования темпом нагрева поверхности в 5 град/с.

250 225 200 175 150 125 100

Ц кВт м2

0.1

-г

Л

- -

10 1

100 :С00 ЛИ: -к -2 -1 0 1 2 3 1е ц 4

1 - стеклокерамика; 2 - нитрид кремния; 3 - кварцевая керамика Рисунок 7-Зависимости максимальной плотности теплового потока, поглощённого образцами исследуемых материалов толщиной 7 мм, от ко-

эффициента теплоотдачи тыльной поверхности а для темпа нагрева 5 К/с

Изложенный выше подход дает возможность оптимизировать теплофи-зический эксперимент выбором толщины и режима нагрева образца исследуемого материала.

В связи с необходимостью установки термопар в образец были рассмотрены два варианта его формирования:

- в виде трёхслойного набора пластин, укладываемых одна на другую с закреплёнными в пазах на поверхностях контакта пластин термопарами;

- в виде набора стержней квадратного сечения, соединённых боковыми поверхностями друг с другом в пластину с установленными в боковых пазах стержней на разной глубине термопарами.

Расчёты показали, что £м для многослойной пластины превышает 61%. Пластина из стержней является оптимальной и даёт возможность применить статистико-вероятностный подход к определению искомой характеристики.

Трёхмерная модель сопряжённого радиационно-кондуктивного теплообмена между элементами нагревательной установки позволила определить температурное поле поверхности образца и зону размещения термопар (см. рисунки 8, 9). Приведённые на рисунке 9 изотермы имеют симметричные относительно системы координат конфигурации, а градиент температур в зоне расположения термопар не превышает 7 К.

1 „ 1 ч 1 ^____

/1

о

X / У / х

^ ......-

* 1

теплоизоляция -„—

р

образец \ \

глубина установки ""*— термопар

Рисунок 8 - Схема зоны нагрева образца в системе координат

О 7 14 21 X. ?я

1 - лампы блока нагревателей, находящихся в зоне образца; 2 - термопары в образце

Рисунок 9 - Распределение изотерм на фронтальной поверхности образца из кварцевой керамики на 240 с режима нагрева

Рассмотрено влияние условий теплового контакта между стержнями, составляющими образец, на однородность температурного поля в нём. Приведенные на рисунке 10 распределения температур в керамических образцах соответствуют условиям как плотного теплового контакта между элементами образца, так и наличия воздушного зазора между ними (индекс з).

Расчёты показали, что методические погрешности могут возрасти до 3,8 % и 4,2% для обоих вариантов укладки при коэффициенте теплоотдачи тыльной поверхности а, =20 Вт/(м2трад). Боковой теплообмен увеличивает эти погрешности до = 4,3 % и 4,9% соответственно.

Аналогичные температурные поля в процессе нагрева формируются в образцах из нитрида кремния и стеклокерамики.

1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250

Т, к

— <*-

X, ММ

--у=0,1 мм

' уз=0,7 мм _____у-6 3 мм

■ уз=0,1 мм - у=1,7 мм • уз-6.3 мм

- у=0,7 мм ■ уз=1,7 мм

Рисунок 10 - Распределение температур в образце из кварцевой керамики на глубинах установки термопар на 240 с режима нагрева В реальном теплофизическом эксперименте необходимо учитывать боковой теплоперенос, что подтвердили расчёты средних значений коэффициентов теплоотдачи тыльной и боковой поверхности образца, выполненные по показаниям термопар (см. рисунок 11).

tau, с

250

300

100 150 200

1, 2-коэффициенты теплоотдачи тыльной аь и боковой ах поверхности образца соответственно

Рисунок 11-Изменения а^щ, при испытаниях

Термопары, устанавливаемые в образец, вносят погрешность в измерения температур и увеличивают методическую погрешность определения теплопроводности. На точность определения X могут влиять как взаимное расположение их в образце, так и условия теплового контакта термопар с материалом образца. Анализ результатов установки термопар в пазы образца указывает на три варианта теплового контакта: полный контакт термопары с об-

разцом, контакт с наличием воздушного бокового зазора, не превышающего её диаметр, контакт с боковым зазором в виде щели протяжённостью более 3 диаметров.

Проведённые исследования показали, что для образца из кварцевой керамики при вертикальном расположении термопар одна под другой £м не превышает 6 %, при их смещении одна от другой по горизонтали на 0,4 мм - 5 %, при смещении на 0,2 мм - 4 %. Для стеклокерамики - 7 %, 6 %, 4% соответственно. Для керамики из нитрида кремния - 7 %, 4 %, 3 %. При

воздушном боковом зазоре, превышающем 0,3 мм £м = 42 % для кварцевой керамики, £м = 48 % для стеклокерамики, £м=20,5 % для керамики из нитрида кремния.

В третьей главе описаны работы по созданию автоматизированного стенда теплофизического исследований. Приведены результаты расчётов элементов установки радиационного нагрева и распределения температурных полей в рабочей зоне образца. Оценены зависимости погрешности системы управления стенда от способа заделки управляющей термопары в образце. Описаны технические характеристики и программное обеспечение стенда. Отмечено совпадение расчетных и экспериментальных показателей мощности для максимальной температуры и темпа нагрева образца.

На рисунке 12 приведена схема стенда теплофизических исследований, а на рисунке 13 показана рабочая зона установки.

Рисунок 12 - Структурная схема автоматизированного стенда

] 9 Щ,

Я

Рисунок 13 - Рабочая зона установки с однорядными нагревателями и подготовленный образец исследуемого материала

В четвертой главе изложены методика подготовки и проведения испытаний для определения коэффициента теплопроводности керамических материалов в области температур от 300 до 1500 К при одностороннем радиационном нагреве и результаты теплофизических исследований конструкционных керамических материалов.

Максимальная температура испытаний для кварцевой керамики составила 1673К, керамики из нитрида кремния - 1573 К, а для стеклокерамики -1473 К. Расчёты эффективных коэффициентов теплопроводности исследованных материалов показали, что для кварцевой керамики £>= 10%, £м= 6%, £сл= 8%; для стеклокерамики £>= 11%, £ы= 7%, £сл=8,5%; для керамики из нитрида кремния Е,=11 %, £м= 6 %, £сл=9,1 %.

На рисунках 14-16 приведены результаты определения эффективных коэффициентов теплопроводности исследованных материалов распространенными методами: 1 - лазерной вспышки; 2 - квазистационарный; 3 -одностороннего нагрева; 4 - импульсный. Видно, что эти результаты зависят от применяемого метода, модели расчёта искомой характеристики, на правомерность применения которой могут влиять структурные особенности материала образца, включая его пористость и оптические свойства. В целом их расхождение не превышает 11%.

21

15 — 13 | 11 9 ! 7 5

200

Рисунок 14 - Температурные зависимости X керамики из нитрида кремния

Рисунок 15 - Температурные зависимости X стеклокерамики

Рисунок 16 - Температурныезависимости X кварцевой керамики В заключении представлены результаты диссертации:

1. Впервые при исследовании теплопроводности керамических материалов обоснован подход к оптимизации теплофизического эксперимента по последовательно применяемым критериям на условиях минимизации затрат.

2. Разработан комплекс математических моделей теплообмена в керами-

А. Вт/(м*КУ)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

ческих конструкционных материалах, обеспечивший оптимизацию тепло-физического эксперимента по форме и размерам образцов исследуемых материалов, режимам их испытаний, конструкции установки радиационного нагрева.

3. Предложен расчёт погрешности определения теплопроводности материала по статистико-вероятностным критериям оценки.

4. Разработана методика определения теплопроводности керамических материалов при температурах от 300 К до 1500 К и темпе нагрева 5 К/с, получены новые расчетно-экспериментальные данные о коэффициентах теплопроводности керамики на основе диоксида кремния и нитрида кремния марок НИАСИТ-8ПП, ОТМ-357, ОТМ-904, с погрешностью, не превышающей 7%.

5. Создан автоматизированный стенд теплофизических исследований керамических материалов с установкой одностороннего радиационного нагрева образцов в области температур 300-1673 К и темпом нагрева до 50 К/с, удовлетворяющий условиям высокопроизводительных экспериментов с сохранением представительных свойств исследуемых материалов.

6. Вся совокупность новых инструментов исследования, включая математические модели, алгоритмы, методику, автоматизированный стенд и другое испытательное оборудование, используются при определении коэффициентов теплопроводности опытных керамических материалов для антенных обтекателей в ОАО «ОНПП Технология». В итоге удалось передвинуть верхнюю границу температурного диапазона определения коэффициента теплопроводности керамических материалов с 1100 до 1673К, более чем в 100 раз сократить время проведения эксперимента, в 25 раз уменьшить расход электроэнергии, потребляемой нагревателями.

Публикации в журналах из списка ВАК: 1. Анучин, С.А. Методика высокотемпературных исследований теплофизических свойств керамических материалов аэрокосмического назначения

/ С.А. Анучин, Г.Н. Середа, П.А. Степанов. // Огнеупоры и техническая керамика. - 2010. - №4, 5. - С. 41-45.

2. Резник, C.B. Метод измерения температуры поверхности обтекателей ракет контактными датчиками при стендовых тепловых испытаниях /C.B. Резник, Г.Н. Середа, A.B. Шуляковский //Тепловые процессы в технике. - 2011. - Т. 3, № 6. - С. 278-288.

3. Sereda, G. Estimation of thermocouple measurement errors for the ceramic specimen sunface temperature in thermal tests / G. Sereda, A. Shulyakovskiy, O. Duriex //Int. J. Engineering Systems Modelling and Simulation. - 2012. -Vol. 4, No. 4.-P. 181-189.

Список опубликованных по тематике диссертации работ:

4. Середа, Г.Н. Исследования по применению решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности к определению теплофизических свойств керамических материалов в условиях одностороннего нагрева / Г.Н. Середа, C.B. Резник, М.Ю. Русин // Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов: Сб. тез. докл. XVII Междунар. науч.-техн. конф. - Обнинск, 2004. - С. 62-64.

5. Русин, М.Ю. Автоматизированная установка определения теплофизических свойств неэлектропроводных материалов при одностороннем скоростном нагреве / М.Ю. Русин, Г.Н. Середа и др. // Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материатов: Сб. тез. докл. XVII Междунар. науч.- техн. конф. - Обнинск, 2004. - С. 64-68.

6. Середа, Г.Н. Оптимизация параметров эксперимента при определении теплофизических свойств материалов на основе имитационной модели / Г.Н. Середа. // Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов: Сб. тез. докл. XVII Междунар. науч.-техн. конф. -Обнинск, 2004. - С. 157-159.

7. A.C. RU 1594501 G 05 D 23/19. Устройство для измерения и регулирования температуры поверхности объекта / Г.Н. Середа, Ю.А. Грацианский.

8. Резник, C.B. Определение теплофизичееких свойств конструкционных керамических материалов на основе решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности / C.B. Резник, М.Ю. Русин, П.В. Просунцов, Г.Н. Середа. // Сб. тез. докл. XXVII Сибирского теплофизического семинара. - М.: Новосибирск, 2004. - С. 134-135.

9. Середа, Г.Н. К вопросу повышения эффективности процесса определения теплофизичееких свойств конструкционных керамических материалов / Г.Н. Середа, C.B. Резник, М.Ю. Русин, П.В. Просунцов. // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий (МЕЕ-2004): Сб. тез. докл. III междунар. конф. - Киев, 2004. - С. 224.

10. Русин, М.Ю. Определение теплофизичееких свойств керамических материалов АО в области температур от нормальной до 1200 С в условиях одностороннего нагрева методом решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности / М.Ю. Русин, Г.Н. Середа // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий (МЕЕ-2004): Сб. тез. докл. III междунар. конф. - Киев, 2004. - С.231.

11. Резник, C.B. Автоматизированный комплекс для высокотемпературных исследований теплофизичееких характеристик керамических материалов / C.B. Резник, A.C. Хамицаев, С.А. Анучин, Г.Н. Середа, П.А. Степанов. // Ракетная космическая техника (РКТ-05): Сб. тез. докл. междунар. конф. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М„ 2005. - С. 172-174.

12. Забежайлов, М.О. Сравнительный анализ различных методов определения коэффициента теплопроводности в частично прозрачном материале на основе кварцевого стекла / М.О. Забежайлов, С.А. Анучин, Г.Н. Середа. // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий (МЕЕ-2010): Сб. тез. докл. VI междунар. конф. - Киев, 2010. - С. 197.

13.Sereda, G. Estimation of thermocouple measurement methodological errors for the ceramic specimen surface in thermal tests / G. Sereda, A. Shulyakovskiy // Proc. 1-st Int. Workshop on Advanced Composite Materials and Technologies for Aerospace Applications (Wrexham, Nord Wales, UK, May 9-11, 2011). -P. 61-81.