Численное моделирование физико-химических процессов получения композиционных материалов на основе пироуглерода путем пиролиза газообразных углеводородов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

РЯБИН ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПИРОУГЛЕРОДА ПУТЕМ ПИРОЛИЗА ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре инженерной теплофизики Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Семенов A.M. кандидат физико-математических наук, доцент Мика В.И. доктор технических наук профессор Солодов А.П. кандидат физико-математических наук Миков B.JI.

Ведущая организация:

АО "Композит"

1996 года в

Защита диссертации состоится часов на заседании диссертационного совета К053.16.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корпус "Т", кафедра ИТФ, к.206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ). Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14. Ученый совет МЭИ (ТУ).

А

Автореферат разослан "7 " ^1996 г.

7 7

Ученый секретарь диссертационного совета К053.16.02

В.И.Мика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Углерод-углеродные композиционные материалы обладают уникальными физико-механическими, телофнзиче-скими, электрофизическими и химическими свойствами и благодаря этому находят применение во многих областях современной техники. Подобные материалы, в частности, получаются путем насыщения пи-ролитическим углеродом пористых углеродных каркасов самых различных конфигураций. Процесс насыщения происходит в результате пиролитического разложения газообразных углеводородов при высоких температурах (порядка 1000°С). Он сопровождается осаждением пироуглерода на поверхности каркаса (химической конденсацией), а также химическими реакциями в газовой фазе в условиях сложного теплообмена в пористой среде при вынужденном течении материалообразующего газа сквозь каркас.

Проблема получения углерод - углеродных композиционных материалов с заранее заданными свойствами может быть решена путем планирования тепловых и гидродинамических режимов внутри каркаса, имеющего распределенную по определенному закону пористость. Тепловая картина внутри каркаса в условиях течения в порах углеро-досодсржащего газа, в котором идут химические реакции, может быть построена с помощью численного моделирования процессов тепломас-сопереноса при вынужденном течении газовой смеси в канале переменного сечения с химической конденсацией на стенках.

Результаты численного моделирования в канале, имитирующем отдельную пору каркаса, могут послужить в качестве исходных данных для решения задачи в целом для каркаса - заготовки или каркаса - изделия. В свою очередь, результаты моделирования тепловых и гидродинамических процессов в каркасе и на его поверхности могут быть

ис110лыов;ц1ы для определения параметров контроля и оптимального управления при рачработкс технологического процесса изготовления заготовки углерод - углеродного материала или изделия из этого материала.

ЦЕ-Jlb РА [ЮТЫ: построение физической модели и математическое моделирование тепломассооперсноса. сопровождающего получение композиционных углерод-углеродных материалов в технологическом процессе газофазного насыщения, как на "макроуровне" - в масштабе всего каркаса изделия, так и на "микроуровне" - в пределах отдельной ячейки этого каркаса. Определение по данным моделирования параметров, существенно влияющих на ход и результаты технологического процесса.

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработаны и протестированы новые элементы системы автоматизации численного эксперимента в теплофизике (ANES), которые позволяют осуществлять численное решение на ПЭВМ типа IBM PC двумерных задач математической физики, моделирующих процессы гидродинамики и тепломассообмена в канале сложной формы и в по-рисгых средах.

2. Предложена магматическая модель процессов течения и тепломассообмена. сопровождающих химическую конденсацию твердого вещества m газовой фазы вследствие термического разложения (пиролиза) магериалообразующего газа. Создана прикладная программа для исследования процессов тепломассообмена при химическом конденсации в канале сложной формы с целыо моделирования отдельной ячейки ("микроуровень" рассмотрения) каркаса изделия из углерод-углеродного композиционного материала, формируемого за счет пиролиза газообразною углеводорода.

3. Сформулирована математическая модель процесса создания композиционных углерод-углеродных материалов, основанная на представлении каркаса изделия как пористого тела, в порах которого происходит химическая конденсация пироуглерода ("макроуровень"). Геометрия каркаса при этом претерпевает весьма существенные изменения вследствие отложений пироуглерода на стенках пор. Созданная прикладная программа позволяет моделировать тепломассооперенос в таком каркасе с учетом его конкретной геометрии и наглядно представить процесс заполнения пор каркаса.

4. Полученные результаты позволят осуществить оптимизацию технологического процесса формирования изделий из углерод- углеродных материалов с целью улучшения качества изделий и придания им заранее заданных свойств.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

1. Разработанная методика позволяет численно решать задачи тепломассообмена, в математическом описании которых уравнение неразрывности содержит источник массы.

2. Сформулированная математическая модель и реализующая ее прикладная программа позволяют моделировать процессы осаждения твердого вещества из газовой фазы в каналах.

3. Результаты моделирования, в первую очередь результаты расчетов температурных полей в каркасе, позволяют осуществлять контроль технологического процесса и проводить его оптимизацию. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. .

Основные результаты докладывались на IV Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики", Новосибирск, 11-20 февраля 1990г.; XIX научно - технической конференции молодых ученых и специалистов ИТТФ АН УССР, Киев, 4 - 8 июня 1990 г.; IX школе - семинаре молодых ученых и

специалистов "Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок". Москва, 17-22 мая 1993 г.; Первой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 21 - 25 ноября 1994 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 2 научные статьи [1,2] и тезисы докладов [3,4].

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 95 страницах, из них 16 с рисунками. Библиографический список содержит 45 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении рассматривается актуальность проблемы и обосновывается необходимость ее решения в связи с запросами науки и техники. Сформулированы задачи исследований, проведенных в диссертации, предложены два уровня рассмотрения изучаемых процессов - "микроуровень" и "макроуровень". Результаты полученные на "микроуровне" могут служить основой для подготовки исходных данных для второго уровня рассмотрения.

В первой главе представлено описание системы автоматизации численного эксперимента ANES, в создании которой автор участвовал как разработчик. Приводятся основные сведения о системе ANES, детально описан мегод численного решения уравнений гидродинамики и тепломассообмена, применяемый в данной работе, рассмотрены особенности реализации этого метода, приводятся результаты тестирования прог раммного обеспечения.

В первом разделе дан краткий-обзор программных средств для решения задач гидродинамики и тепломассообмена. Несмотря на

исчерпывающую количественную информацию, получаемую путем математического моделирования этих процессов, широкие возможности для тестирования математических моделей, позволяющие осуществлять оптимизацию вариантов конструкций и режимов работы оборудования, в отечественной инженерной практике вычислительный эксперимент не получил широкого распространения. Во многом сложившееся положение объясняется отсутствием удобных и надежных в эксплуатации программных средств, обладающих широким тематическим набором реализованных математических моделей.

Такие программные средства уже не удается сконструировать в рамках одной универсальной программы, и поэтому требуются разработки сложных интегрированных систем, называемых в отечественной литературе пакетами прикладных прог рамм (ППП ).

Примерами современных ППП, ориентированных на решение задач тепломассобмена, гидро- и аэромеханики служат зарубежные системы PHOENICS, NECTON и др. Отечественный опыт исчерпывается системами САФРА, ГАММА, созданными для ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС. Среди ■ экспонатов компьютерной выставки "Тепломассообмен - Термопрочность - Экология", развернутой в 1992 году на Минском Международном форуме по ТМО, почти не было представлено пакетов прикладных программ, ориентированных на решение широкого класса задач конвективного теплообмена. Это послужило веским основанием для разработки пакета прикладных программ, ориентированного на решение разнообразных задач в данной области.

Во втором разделе представлено краткое описание системы автоматизации численного эксперимента ANES, разработанной на кафедре инженерной теплофизики МЭИ с участием автора и ориентированной на персональные компьютеры типа IBM/PC.

В третьем разделе рассматривается численный метод решения уравнений конвективного тепломассообмена, реализованный в системе ANF-S. Для построения дискретных аналогов исходных дифференциальных уравнений используется метод контрольного объема. При расчете поля течения применяется известный алгоритм

simpu-:.

В четвертом разделе описывается используемая автором -системная задача FLOW2XX функционального наполнения ANES, которая представляет собой пакет прикладных программ для решения широкого класса двумерных эллиптических задач гидродинамики, теплообмена, химической кинетики и позволяет:

• решать двумерные эллиптические уравнения гидродинамики и гиобое количество уравнений переноса при дозвуковом режиме ючепия среды;

® решать как уравнения Навье - Стокса, так и уравнения Дарси;

• проводить расчеты с переменными теплофизическими свойствами;

• рассчитывать стационарные и нестационарные процессы;

® использовать декартову, цилиндрическую и полярную системы координат;

• реалнзовывать практически любые граничные условия.

Рассмотрены некоторые особенности FLOW2XX и приемы профаммной реализации алгоритма, в том числе способы решения задач с нерегулярной геометрией и источником массы в уравнении неразрывности. Следует отмстить, что такая информация является своего рода "ноу - хау", и достаточно редко публикуется разработчиками программного обеспечения.

В пятом разделе рассмотрено тестирование программного обеспечения с учетом специфики рассмотренных в диссертации задач. Тестовая задача о смешанной ламинарной конвекции в плоском

вертикальном канале, на одной из стенок которого располагается прямоугольный уступ, решается с использованием метода блокированных ячеек. В задаче о свободной конвекции в кольцевой пористой прослойке тестируется решение уравнений Дарси.

Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с известными из литературы данными.

Во второй главе предложена математическая модель процессов тепломассообмена, сопровождающих получение композиционных материалов путем наращивания твердой фазы в результате протекания на твердой поверхности гетерогенной химической реакции термического разложения материалообразующего газа. Этот процесс называется в дальнейшем химической конденсацией. Он является одним из способов нанесения различных покрытий, в том числе в целях получения новых материалов. Химическая конденсация являегся основной стадией технологического процесса получения одного из типов углерод-углеродных композиционных материалов, наполнителем которых служит пиролитический углерод, осаждаемый на твердую поверхность каркаса из углеродных нитей или стержней в результате пиролиза газообразных углеводородов [1]. Глава посвящена численному моделированию процессов тепломассопереноса при вынужденном течении газовой смеси в канале переменного сечения с химической конденсацией на стенках

В первом разделе приводится краткий обзор работ по моделированию процессов осаждения вещества из газовой фазы. Существенную роль в подобных технологиях играют процессы тепломассобмена. Численное моделирование является практически единственным методом, позволяющим описать эти процессы.

Численные модели, описанные в литературе, разработаны применительно к ряду технологических процессов производства

оптических волокон н нанесения на подложки полупроводниковых и ди'шск'фическнх покрытий. С этой целью моделируются процессы при внешнем обтекании поверхности, на которую осуществляют осаждение, причем толщина осаждаемого материала предполагается пренебрежимо малой.

Во втором разделе рассматриваются физические и математические модели процессов осаждения пироуглерода на стенках элементарной ячейки каркаса изделия.

Каркас композиционного материала представлясгся собранным из стержней. Элементарная ячейка является сложным трехмерным образованием с неременным сечением вдоль потока газа. В качестве модели принимается канал круглого сечения с кольцевыми уступами.

Па стенках канала происходит необратимая реакция термического разложения но схеме

где Л - материалообразующий газ (углеводород), В - газообразный продукт пиролиза, С - конденсированный продукт реакции, Р -стсхнометрический коэффициент, ДН - тепловой эффект реакции. Химические реакции в обьеме не учитываются.

В соответствии с законами химической кинетики для достаточно разреженного га ¡а скорость химической конденсации на стенках канала пропорциональна константе скорости реакции и концентрации компонента Л вблизи реакционной поверхности

где р - плотность газовой смеси, т,\ - массовая доля компонента А, Мл - его молекулярная масса.

Зависимость к(Т) от температуры задается в аррениусовой форме

Л'....... |Ш"»ч+ С<"» +ДН.

(1)

(2)

к(Т) = К„ ехр(-Еа/ЛТ),

где Ко - предэкспоненциальный множитель, Еа - энергия активации, Я -универсальная газовая постоянная.

Кроме того, процессы тепломассопереноса при течении бинарной газовой смеси в представленном канале рассматривются со следующими допущениями:

• задача квазистационарная, т.е. скорость изменения геометрии

канала за счет отложений пренебрежимо мала по сравнению с

характерными скоростями гидродинамических и тепловых

процессов;

• не учитывается влияние внешних массовых сил;

• течение ламинарное;

• компоненты А и В - идеальные газы;

• задача рассматривается в несопряженной постановке, т.е. влияние теплопереноса в материале стенки на процессы в газовой фазе и непосредственно на поверхности не учитывается;

• термодиффузия и бародиффузия пренебрежимо малы;

• перенос тепла за счет молекулярной диффузии мал.

С учетом этих допущений математическое описание включает уравнение неразрывности, уравнение движения в форме Навье -Стокса. уравнение переноса вещества компонента А, уравнение энергии, уравнение для расчета удельной энтальпии и изобарной теплоемкости смеси, уравнение состояния бинарной смеси идеальных газов, составляющие основу математической модели.

На входе в канал задаются профили скорости, энтальпии и концентрации компонента А в смеси.

В отличие от традиционных задач тепломассопереноса, при химической конденсации имеется поток массы компонента А (,1л) к реакционной поверхности, включающий конвективную (рУтд) и

диффузионную (¡л) составляющие. В проекции на нормаль к поверхности соответствующее соотношение имеет вид

,1Л = Р V ША + ]Л , а диффузионные потоки компонентов в сумме равны нулю

,.Л •у.

Нормальная к стенке компонента вектора среднемассовой скорости

V = М,ЛУ, Р

где М - молекулярная масса конденсирующегося компонента С, а \У (2) - скорость гетерогенной реакции (1).

Нормальная составляющая массового диффузионного потока компонента Л на стенку

.¡Л =.1л -рУтл =У/(МЛ-МС).

Задача рассматривается при граничных условиях первого и второго рода ;шя уравнения энергии.

третьем разделе представлены результаты численного моделирования гидродинамики и теплообмена при химической конденсации метана. Определены поля скорости, температуры (энтальпии) и состава смеси. На основании этих данных определены эффективные коэффициенты проницаемости ячейки и теплоотдачи от стенок ячейки к гачу, а также скорость осаждения конденсированного компонента С. Данные о проницаемости ячейки и коэффициенте теплоотдачи необходимы для дальнейшего моделирования процессов химической конденсации в пористом каркасе.

На входе в ячейку принят стабилизированный профиль скорости - парабола Нуазейля, а также равномерные профили температуры и концентрации метана в смеси.

Как показывают расчеты, коэффициент проницаемости сохраняется практически постоянным в диапазоне Яе = 0.06 - 20, поскольку он является функцией геометрии ячейки при изотермическом течении газа. Это достаточно хорошо согласуется с известными литературными данными.

При определении коэффициента теплоотдачи задавалась постоянная температура стенок ячейки Тс, отличная от температуры газа на входе. В диапазоне 11е<2 число Нуссельта почти линейно растет с увеличением Ие, а затем быстро выходит на асимптоту Ыи~7.3

Результаты расчета скорости нарастания твердой фазы отражают влияние изменения температуры поверхности и концентрации материалообразующего газа вблизи нее. Скорость осаждения вдоль образующей канала для граничных условий 1-го рода практически постоянна и незначительно снижается вследствие обеднения смеси. Для граничных условий 2-го рода в среднем скорость образования твердой фазы увеличивается вдоль канала, но имеет немонотонный характер -во внутренних углах перед уступами наблюдаются небольшие локальные максимумы.

В третьей главе представлена математическая модель процесса формирования изделия из углерод - углеродных композиционных материалов. Приводится математическое описание процессов тепломассопереноса. существенным образом влияющих на создание изделий из этих материалов, основой которых является углеродный каркас, а наполнителем служит пироуглерод.

В первом разделе анализируется физическая модель технологического процесса заполнения каркаса пироуглеродом. Каркас изделия композиционного материапа, предварительно собранный из углеродных стержней (нитей), помещают в камеру -

реактор, нагревают одним из способов до рабочей температуры и пропускают через него газообразный углеводород, в результате пиролиза которого в каркасе образуется пироуглерод. В объеме газа внутри нагретого каркаса одновременно могут протекать различные химические реакции, в которых участвуют молекулы магериалообразующего газа и продукты их пиролитического разложения.

Температурное поле каркаса определяется не только теплофи зическими свойствами каркаса и способом его нагрева, но и теплообменом с газовой фазой внутри самого каркаса.

Поля скоростей, температур и концентраций компонентов в газовой фазе в принципе определяются решением трехмерной (конструкция каркаса), нестационарной (изменение геометрии каркаса во времени), сопряженной (взаимосвязь температурных полей в твердой и газовой фазах) задачи с учетом переменности теплофи зических свойств изделия и газовой фазы в зависимости от температуры и состава.

В такой постановке численное моделирование практически нереально. По ному необходим предварительный анализ физической модели с целыо доведения ее до уровня, доступного для магматического моделирования.

В качестве упрощенной модели реальной конструкции каркаса рассмотрим следующую осесимметричную систему: имеется центральный стержень радиусом Ян, являющийся нагревателем; параллельно его оси располагаются несколько слоев продольных стержней; слои продольных стержней разделяются друг от друга концентрически расположенными поперечными кольцами. При этом будем полагать следующее:

* поперечное кольцо, отделяющее слой продольных стержней от

предыдущего, лежит в одной плоскости с предыдущим кольцом;

* центральный и продольные стержни расположены вертикально, а поперечные кольца - горизонтально;

* поперечные кольца и продольные стержни изготовлены из пироуглерода.

Реакции в газовой фазе не учитываются. Химическая конденсация рассматривается в предположении о протекании всего лишь одной брутто - реакции пиролиза (1). Газовая фаза рассматривается как бинарная смесь углеводорода Л и водорода В, которые считаются идеальными газами.

В связи с тем, что размеры стержней и пор предполагаются малыми по сравнению с характерным размером изделия, реальная гетерогенная система рассматривается как своеобразная гомогенная (сплошная) среда. Такой подход называется приближением пористой среды. Сложные условия на границах раздела твердой и газовой фазы при этом превращаются в распределенные по объему источники (стоки) тепла и массы. Предположение об осесимметричности каркаса сводит трехмерную задачу к двумерной.

Толщина отложений пироуглерода в пределах одной поры считается одинаковой в связи с малостью поры и, как следствие, ее изотермичностыо.

Характерное время процесса зарастания конденсирующимся компонентом пространства, ранее занимаемого газовой фазой, составляет 1(1 =105 с, а гидродинамические масштабы времени 102...10-' с. Это позволяет рассматривать задачу в квазистационарном приближении: на протяжении данного "шага" по времени геометрия ячейки считается неизменной, перед.выполнением следующего "шага" она изменяется в соответствии с толщиной отложений, образовавшихся в течение предыдущего "шага".

Во втором разделе приводится математическое описание приближения пористой среды.

Для дальнейшего формирования математической модели принят, чго температура реакционной поверхности, определяющая константу скорости реакции к(Т), равна среднемассовой температуре каркаса, давление в уравнении состояния считается постоянным и рапным давлению на входе в реактор, анизотропия учитывается в орточ ронпом приближении.

С учегом совокупности приближений и допущений математическая модель представляется следующей системой уравнений:

- уравнение неразрывное™ газовой фазы

-- (рг.11)+ - —(грсУ) = -<тМг ;

(V ' х дху '

- уравнения движения (уравнения фильтрации Дарси)

и

+ РК :

к, дг'

- уравнение энергии для газовой фазы с учетом того, что обмен энерг ией между фазами за счет обмена массой пренебрежимо мал:

д

д ,„ л(хп дЪ

ргДЛ1- 4-------1 +

дх) х дг

рсУп--------

С„ дх

= аа(т'г-тг);

- уравнение энергии для твердого каркаса

д дх

-I1

(И

гТГ гх

1 д

г дх

■К

ат

1Л

дх

= (|-е)0У -ст[а(тт-Тг)-ДН\У];

- уравнение переноса компонента А газовой фазы: 1 д

д ( II 5тЛ

рп11|Пх -рсП, л-гх V дх.

хдх

г| рсУШд-рсО,.^

= -стМл\У;

Система уравнений замыкается соответствующими начальными и граничными условиями.

Для осесимметричного каркаса, помещенного в вертикальную трубу, внутренний диаметр которой равен наружному диаметру каркаса, сформулированы следующие граничные условия. На входе:

равномерные профили скорости и(г) = ио, энтальпии Ь(г) = И» (Т'=Т"). чистый компонент А : пи(г) = 1, граничные условия третьего рода для уравнения энергии для твердого каркаса q1 = аПх(Т' - То). На выходе (х = Ь):

гидродинамический перепад р(г)=0, так называемые "выходные" граничные условия для энтальпии Ь и концентрации шд, граничные условия третьего рода для твердого каркаса с расчетной температурой на выходе Тг я, = аВых(Тт - Т'). Граничные условия на внешней границе каркаса (г = Я|):

нормальная компонента скорости У(х) = 0, тепловые потоки к газовой и твердой фазам: яг = 0, = 0; диффузионный поток компонента А jл = 0.

Граничные условия на внутренней границе каркаса (г = Яо):

У(х) = 0, Яг = 0, )а = 0, температура каркаса равна температуре нагревателя Тг = Т".

Толщина отложений в начале процесса 8 = 0. Для определения эффективных коэффициентов переноса нагретый каркас рассматривается как система продольных и радиальных каналов. Эффективная теплопроводность газовой фазы имеет вид тензора:

Г*(г) 0

д(Г) = <4 и

0 \

Эффективная диффузия

= ал • г<г'.

D=

Dx 0 0 D

= d"'z(l).

A(T) =

= Ji(l)Z(T).

Теплопроводность твердого каркаса

IV 0 ~

О À<rl)_

Геометрические тензоры Z(" и Z'1» определяются исходя из начальной геометрии каркаса и текущей толщины отложений.

Коэффициенты проницаемости кх и к, определяются исходя из значений коэффициентов гидравлического сопротивления для соответствующего направления. Местные сопротивления рассчитываются по формуле Идельчика для диафрагмы. При заполнении поры каркаса проницаемость, теплопроводность и диффузия в газе для соответствующего направления эануляются.

В третьем разделе дана логическая схема реализации математической модели. Программное обеспечение системы ANES модернизировано для решения "квазистационарной" задачи по алгоритму.

1. вводятся исходные данные о свойствах газовой среды, геометрия каркаса, граничные условия и т.д.;

2. вычисляются проницаемость, геометрические тензоры Z(,> и Z(r>, пористость и удельная поверхность;

3. рассчитываются стационарные поля скорости фильтрации, температуры каркаса и газовой фазы, концентрации компонента А в смеси;

4. вычисляется толщина наросшей на стержни пленки;

5. расчет повторяется для нового временного шаг а, начиная с п.2.

В четвертом разделе проиллюстрированы результаты моделирования. I Цилиндрический каркас набран из стержней диаметром 5 мм, толщина поперечных колец 5 мм, длина каркаса 0.8 м, а его наружный радиус 0.2 м. На оси находится стержневой нагреватель диаметром 40

мм с постоянной температурой поверхности Тн = 1300 К. Каркас помещен в трубу, по которой подается метан. По результатам расчетов выявлено, что более физичным является задание в качестве условия на входной границе гидродинамического перепада давления. Обнаружено, также, что через некоторое время входное сечение каркаса полностью заполняется углеродом и становится непроницаемым. В результате процесс насыщения прекращается, а в каркасе остаются незаполненные зоны с достаточно большой пористостью (порядка 0.3-0.5).

Это обстоятельство означает, что требуется оптимизация рассмотренного технологического процесса путем корректировки начальной геометрии каркаса или изменением условий подвода материалообразующего газа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Предложена математическая модель химической конденсации вещества из газовой фазы. Проведено численное исследование процессов тепломассообмена при химической конденсации в канале сложной формы с целью моделирования отдельной ячейки каркаса композиционного материала. Получены данные о проницаемости этой ячейки и о кэффициенте теплоотдачи от ее стенок к газу.

2. Сформулирована математическая модель процесса создания углерод-углеродных композиционных материалов, основанная на представлении каркаса изделия как пористого тела, в порах которого происходит осаждение углерода. Реализующая модель прикладная программа учитывает реальную геометрию каркаса и позволяет наглядно представить процесс заполнения каркаса углеродом.

3. Показано, что для рассмотренной организации технологического процесса получаемый материал обладает существенной неоднородностью и требуется проведение оптимизации технологии.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. В.И.Мика, В.В.Рябин. Численное моделирование процессов тепломассоопереноса при вынужденном течении газовой смеси в канале переменного сечения с химической конденсацией на стенках.// Теплофизика высоких температур - 1993 - т.31 - N4 - С.575-580.

2. В.И.Мика, В.В.Рябин. Численное моделирование процессов тепломассообмена, сопровождающих получение композиционных материалов на основе пироуглерода. // Теплофизика высоких, температур - 1995 -т.ЗЗ - N6 - С.921-926.

3. М.В.Макаров. И.О.Рылов. В.В.Рябин. Использование системы /\NIiS для решения прикладных задач тепломассообмена.// VI Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики": Тез. докл. - Новосибирск, 1990 - С.69-70.

4. В.13.Рябин. Численное моделирование процессов тепломасообмена при химической конденсации в канале сложной формы.// IX школа-семинар молодых ученых и специалистов "Современные проблемы газодинамики и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установок": Тез. докл. М. - 1993 - С.78-79.

Подписано к т-ч.чг»

Тираж юо

Типография МЭИ. Краакжазармс-ипля, 13.