Разработка обобщенной теплофизической методики для исследования контактных термосопротивлений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Основные обозначения и размерности.

Введение.

Глава 1. Анализ состояния проблемы контактного теплообмена. Цель и задачи исследования.

1.1. Современные представления о тепловых процессах в зоне контакта твёрдых тел.

1.2. Анализ современных расчётных методик, описывающих контактный теплообмен в соединениях.

1.3. Анализ обобщённых методик по расчёту КТС в соединениях.

1.4. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Разработка обобщённой теплофизической методики для исследования КТС в соединениях с плоскошероховатыми поверхностями.

2.1. Обобщённая методика для исследования КТС в вакууме.

2.2. Обобщённая методика для исследования КТС в газовых средах.

Глава 3. Разработка обобщённых методик по исследованию КТС в соединениях с поверхностями, имеющими волнистость и макроотклонения формы.

3.1. Обобщённая методика для исследования КТС в вакууме.

3.2. Обобщённая методика для исследования КТС в газовых средах.

Глава 4. Экспериментальное определение КТС соединений.

Объекты и методы исследования.

4.1. Методика определения КТС соединений.

4.2. Установка и образцы для исследования контактного теплообмена.

4.3. Статистическая обработка результатов испытания и методика определения погрешностей.

Глава 5. Практическая реализация научных решений.

Актуальность темы. Развитие современной техники сопровождается стремлением повысить эффективность производственных процессов и аппаратов, связанных с выработкой или использованием тепловой энергии. На тепловой режим таких технических систем значительное влияние оказывает, так называемое контактное термическое сопротивление (КТС). Поэтому во многих случаях при тепловых расчетах конструкций возникает необходимость учета термического сопротивления контакта металлических поверхностей, обусловленного дискретным характером соприкосновения. При тепловых потоках высокой плотности наличие КТС приводит к значительным температурным скачкам между контактирующими поверхностями. Этим объясняется повышенный интерес к проблеме контактного теплообмена.

На сегодняшний день литература по этому вопросу насчитывает несколько сотен публикаций отечественных и зарубежных ученых. При этом теоретические основы явления разработаны достаточно полно, чего нельзя сказать об имеющих большой интерес для инженеров и конструкторов упрощенных расчетных методик по определению КТС для различных поверхностей, усилий прижима, температурных условий, природы межконтактной среды. Сложилась достаточно парадоксальная для теплопередачи ситуация, когда большой массив опубликованных экспериментальных данных непригоден для взаимного сопоставления.

Данная работа является попыткой сопоставить между собой имеющиеся результаты в форме, наиболее подходящей для разработчиков и исследователей, работающих в этой области.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной проблемой "Теплофизика и теплоэнергетика" АН СССР (шифр 1.9.116.П.11) по теме "Исследование теплофизических свойств тонкослойных материалов и покрытий, термических сопротивлений контактных и клеевых соединений" и по плану НИР ВГЛТА в 8 рамках темы "Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термических сопротивлений в контактных и клеевых соединениях конструкций" (гос. per. 201.85.00.52.971).

Целью настоящей работы является разработка обобщенной теплофизиче-ской методики для исследования контактных термосопротивлений соединений с металлическими поверхностями различной геометрии.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка обобщенной теплофизической методики для исследования КТС соединений с плоскошероховатыми поверхностями в вакууме и в газовых средах.

2. Вывод критериальных зависимостей для определения КТС соединений с волнистыми поверхностями в вакууме и газовых средах.

3. Получение критериальных зависимостей для определения КТС соединений с поверхностями, имеющими макроотклонения формы.

4. Экспериментальная апробация предложенных обобщенных теплофизиче-ских методик для исследования КТС соединений.

Научная новизна:

1. Методом анализа размерностей с использованием экспериментальных данных различных исследователей разработаны обобщенные теплофизические методики для исследования КТС соединений с плоскошероховатыми поверхностями в вакууме и газовых средах в зависимости от геометрии поверхностей контакта, температурных условий и деформационных процессов, протекающих в микровыступах неровностей.

2. Получена обобщенная методика для исследования КТС соединений с волнистыми поверхностями в вакууме и газовых средах. 9

3. Выведено критериальное уравнение для определения КТС с поверхностями, имеющими макроотклонения формы, в вакууме и газовых средах.

Адекватность теплофизических методик подтверждается хорошей сходимостью результатов для КТС, получаемых с помощью обобщенных зависимостей, с опытными данными автора и других исследователей.

Практическое значение и реализация результатов

Экспериментальные данные, результаты математического и физического исследования процессов контактного теплообмена в виде обобщенных зависимостей дают возможность:

1. Проектировщикам и эксплуатационникам по ограниченному числу параметров прогнозировать формирование КТС соединений с поверхностями различной геометрии в вакууме и газовых средах.

2. Путём подбора материала, геометрических параметров поверхностей контакта, усилия прижима и температурных условий создавать соединения из деталей и узлов в теплонапряженных конструкциях с заданным КТС.

Разработанные методики приняты к использованию в практике НПО им. Лавочкина, г. Химки Московской области.

Материалы диссертационной работы используются при чтении курса лекций дисциплины "Теплотехника" на кафедре энергетики и гидравлики Воронежской Государственной лесотехнической академии.

10

На защиту выносятся:

1. Разработанные в диссертации обобщенные теплофизические методики для исследования КТС соединений с плоскошероховатыми поверхностями в вакууме и газовых средах.

2. Выведенные критериальные зависимости для определения КТС соединений с волнистыми поверхностями в вакууме и газовых средах.

3. Полученные в работе критериальные зависимости для определения КТС соединений с поверхностями, имеющими макроотклонения формы, в вакууме и газовых средах.

Апробация результатов исследований проводилась на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА (1998,1999,2000 гг.), на межвузовском научном семинаре "Моделирование процессов тепло- и массообмена" в ВГТУ (1999), на III Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи" (Москва - С.Петербург, 1998), на Всероссийской научно-практической конференции "Повышение технического уровня машин лесного комплекса" (Воронеж, 1999), на межвузовской научно-практической конференции, посвященной 70-летию ВГЛТА (Воронеж, 2000).

Тематика исследований входит в ежегодные планы научно-исследовательской работы кафедры энергетики и гидравлики Воронежской Государственной лесотехнической академии.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников и приложений. Объем диссертации 113 страниц машинописного текста, включающих 12 таблиц, 2 фотографии, 21 рисунок, 92 библиографических источника и 13 страниц приложений.

выводы:

1. Разработаны обобщенные теплофизические методики, позволяющие рассчитывать контактные термосопротивления соединений с плоскошероховатыми поверхностями в вакууме и газовых средах, и определять КТС соединений с учетом термодеформационных процессов в зоне контакта и размеров пятен микроконтактов от нагрузки.

2. Получены критериальные зависимости, дающие возможность проводить расчеты термосопротивлений в зоне контакта волнистых поверхностей в вакууме и газовых средах.

3. Выведены критериальные уравнения, с помощью которых возможно рассчитывать контактные термосопротивления соединений с поверхностями, имеющими макроотклонения формы в вакууме и газовых средах.

4. Предложен и реализован в практике нестационарный метод определения контактных термосопротивлений, позволяющий значительно сокращать время проведения эксперимента.

5. Результаты диссертационной работы позволяют проектировщикам и эксплуатационникам теплонапряженных технических систем по ограниченному количеству параметров прогнозировать формирование термосопротивлений и температурных перепадов в зоне контактов отдельных деталей и узлов.

1. Карслоу Г.С., Егер Б.К. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. -350с.

2. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 226с.92

3. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М. : Машиностроение, 1981. 244с.

4. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. M. - JL: Госэнергоиз-дат, 1963.- 144с.

5. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. -394с.

6. Ильченко О.Т., Капинос В.М. Тепловая проводимость контактного слоя, образованного выступами шероховатости. // Изв. высших учебных заведений. Энергетика. 1958. - №9. - С. 77-89.

7. Ильченко О.Т., Капинос В.М. Термическое сопротивление контактного слоя // Труды Харьковского политехнического института. Машиностроение. -1959.-Т.19.-Вып. 5. С.169-181.

8. Хижняк Н.Е. Исследование контактного термического сопротивления. Рига: Труды ГОСНИИГВФ, 1963. - Вып.39. - 65с.

9. Хижняк Н.Е. Некоторые результаты исследований контактного термического сопротивления. Изв. высших учебных заведений. Энергетика. 1966. -№2. - С. 69-76.

10. Ю.Флетчер, Гайорог. Расчет контактного теплообмена между двумя одинаковыми металлическими поверхностями. // В кн. Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов. М.: Мир. 1974. - С. 196-212.

11. П.Кошкин В.К. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение. 1975. - 384с.

12. Cetinkale T.N. and. Fischenden M. Thermal Conductance of Metal Surfaces in Contact, General Discussions on Heat Transfer, Conference of the Institution of Mechnical Engineers and ASME, Inst. Mech. Eng., London, 1951, P. 271-275.

13. Фенеч, Розеноу. Теоретическое определение коэффициентов теплопередачи находящихся в контакте металлических поверхностей. // Теплопередача. -1963. №1. - С.21-32.93

14. Шлыков Ю.П. Расчет термического сопротивления контакта обработанных металлических поверхностей. // Теплоэнергетика, 1965. №10. - С. 79-82.

15. Шлыков Ю.П., Танин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. -М: Энергия, 1977. 328с.

16. Rapier А.С., Jones Т.М., Mcintosch I.E. The thermal conductance of uranium dioxide stainless steel interfaces. // Int. Journal of Heat and Mass Transfer. 1963. -Vol. 6.-P. 397-416.

17. Fletcher L.S. A Review of Thermal Control Materials for Metallic Functions // Journal of Spacecraft and Rockets. Vol. 9. - 1972. - P. 849-850.

18. Williams A. Heat Transfer Across Metallic Joints. // Mechanical and Chemical Engineering Transactions. Institution of Engineers. Australia. - Paper 2305. -1968.-P. 247-254.

19. Moore C.J., Atkins H., Blum H.A. Subject Classificatia Bibliography for thermal Contact Resistance Studies. // ASME Paper 68 WA / HT - 18, New York. -1968.

20. Мадхусудана K.B., Флетчер Л.С. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия. // Аэрокосмическая техника, 1987. №3. - С. 103120.

21. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. -М.: Энергия, 1971.-214с.

22. Попов В.М. Теплообмен через соединения на клеях. М.: Энергия, 1974. -302с.

23. Фаворский О.Н., Мальков В.А., Леонтьев В.Н. Контактный теплообмен в газотурбинных двигателях и энергоустановках. М.: Машиностроение, 1978. -143с.

24. Alcock J.F. Discussion on a review of recent progress in heat transfer. // Proc. J. Mech. E.- 1943.-Vol. 149.-P. 117-125.

25. Wheeler R.G. Thermal conductance of fuel-element materials. // Hanford Atomic Products Operation. Report HW 60343. - 1959.94

26. Graff W.J. Thermal conductance across metal joints. // Machine Design. 1960. -Vol.32.-№15.-P. 166-169.

27. Швец И.Т., Дыбан Е.П. Теплообмен при контакте плоских металлических поверхностей. // Инженерно-физический журнал.-1964.-№3- С.3-9.

28. Миллер B.C. Контактный теплообмен в элементах высокотемпературных машин. Киев: Наукова думка., 1966. 98с.

29. Цаплин М.И. По поводу статьи Швеца И.Т., Дыбана Е.П. "Теплообмен при контакте плоских металлических поверхностей" // Инженерно-физический журнал. 1965. -т.9. -№4 - С. 127-128.

30. Мальков В.А., Добашин П.А. Влияние покрытий и прокладок из мягких металлов на контактное термическое сопротивление. // Инженерно-физический журнал. 1969. - т.17. - №3. - С.871-879.

31. Клаузинг A.M., Чао Б.Т. Термическое сопротивление контакта в вакууме. // Теплопередача, 1965. №2. - С. 96-108.

32. Fried Е., Atkins Н. Interface thermal conductance in a vacuum. // Journ. Of Spacecraft a Rockets. 1965. - Vol.2. - №4. - P. 48-51.

33. Мальков B.A. Термическое сопротивление контакта обработанных металлических поверхностей в вакууме. // Инженерно физический журнал, 1970. -т. 18. -№2. - С. 259-268.

34. Tien C.L. A Correlation for Thermal Contact Conductance of Nominally Flatth

35. Surfaces in a Vacuum. // Proceedings 7 Thermal Conductivity Conference, U.S. Bureau of stanfords. 1968. - P. 755-759.

36. Hsich C.K., Touloukian Y.S. Correlation and prediction of thermal contact conductance for nominally flat surfaces. // Thermal conductivity. Proc. of the eighth conference. Oct. 1968, N.Y., 1969. P. 477-494.

37. Cooper M.G., Mikic B.B. and Yvanovich M.M. Thermal contact Conductance // Int. Journal of Heat and Mass Transfer. Vol.12. - 1969. - P.279-300.95

38. Thomas T.R., Probert S.D. Thermal contact resistance the directional effect and other problems. // Int. Journal of Heat and Mass Transfer. Vol.13. - 1970. - P. 789-807.

39. Томас T.P., Проберт С.Д. Корреляционные зависимости для контактной теплопроводности в вакууме. // Теплопередача. 1972. - №3. - С.21-27.

40. Попов В.М. Обобщенные зависимости для определения термического контактного сопротивления. // Инженерно-физический журнал, 1977. т.ЗЗ. -№1. - С. 97-100.

41. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 464с.

42. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. ~ 111с.

43. Швецова Е.М. Определение фактических площадок соприкосновения поверхностей на прозрачных моделях. // В сб. "Трение и износ в машинах". -М.: Изд-во АН СССР, 1953. т.7. - С.12-33.

44. Дьяченко П.Е., Толкачева Н.И., Горюнов К.Н. Определение площади фактического контакта поверхностей. // В сб. "Изучение износа деталей машин при помощи радиоактивных изотопов", 1957. С. 47-53.

45. Гнусин Н.П., Коварский H .Я. Шероховатость электроосажденных поверхностей. Новосибирск: Наука, 1970. - 234с.

46. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978. -232с.

47. Попов В.М. К вопросу исследования термического термического контактного сопротивления. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1976. - №3. - С. 170-174.

48. Timochenko S., Goodier I. Theory of elasticity. Mc Grawhill Book Co., N.Y., 1951. -№4. 38lp.96

49. Попов В.М., Кондратенко И.Ю. Обобщенные зависимости контактного термосопротивления. // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1999. - С.70-75.

50. Маккинзи мл. Пластическая деформация образцов с большим радиусом кривизны под действием небольших нагрузок при определении теплопроводности. // Ракетная техника и космонавтика. 1973. -Т.П. - №3. - С.10-12.

51. Попов В.М. Термическое сопротивление контакта волнистых поверхностей в вакууме. // Инженерно-физический журнал. 1974. - Т.27. - №5. - С.811-817.

52. Мучник Г.Ф., Меерович И.Г. Нестационарная теплопроводность в системе твердых тел, находящихся в контакте. // Теплофизика высоких температур. -1963.- Т.1. -№3. С. 404-408.

53. Thomas T.R., Probert S.D. Thermal contact resistance the directional effect and other problems. // Int. Journal of Heat and Mass Transfer. Vol.13. - 1970. - P. 789-807.

54. Фрид, Кастелло. Проблема теплового контактного сопротивления в конструкции космических кораблей. // Ракетная техника. 1962. - №2. - С.66-77.

55. Fried Е. "Metallic Interface Thermal Conductance", paper presented at NPL Thermal Conductivity Conference, London, 1964.

56. Petri F.I. "an Experimental Investigation of Thermal Contact Resistance in a Vacuum", ASME Paper No. 63 WA - 156.

57. Ascoli A., Germagnoli E. Misure sulla resistanza termica di contatto tra supersicie piane di uranio e alluminio. // Energia nuclear. 1956. - Vol.3. - №2. - P. 113118.97

58. Boeschoten F., von der Held E. The thermal conducíanse of contacts between aluminium and other metals. // Physika, 1957. Vol. 23. - №1. - P. 37-44.

59. Кошкин B.K., Данилов Ю.И., Михеев Ю.С. и др. Экспериментальное исследование контактных термических сопротивлений разнородных материалов. // Изв. вузов. Сер. Авиационная техника. 1971. - №3. - С.75-83.

60. Попов В.М. К определению термического сопротивления контакта обработанных металлических волнистых поверхностей. // Инженерно-физический журнал. -1977. т.32. - №5. - С.779-785.

61. Маккинзи. Экспериментальное подтверждение циклического характера контактного теплообмена. // В кн. Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов. М.: Мир. 1974. - С.213-233.

62. Попов В.М., Лазарев М.С. К вопросу определения термического сопротивления контакта систем с волнистыми поверхностями. // Инженерно-физический журнал. 1971. - т.20. - №5. - С.846-852.

63. Fried Е. Study of Interface Thermal Contact Conductance, Summary Report, March 27.- 1964.

64. Clausing A.M. and Chao В.Т. Thermal Contact Resistance in a Vacuum Environment. Rept. M.E. TN 241 - 1, Aug. 1963.

65. Кондратенко И.Ю., Швырёв A.H., Атаманов С.Г., Термическое сопротивление контакта с плоскошероховатыми поверхностями в теплопроводной среде. // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж. - ВГТУ, 1998. - С. 148-154.

66. Попов В.М., Кондратенко И.Ю. Обобщенные зависимости контактного термосопротивления. // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1999.-С. 70-75.

67. Кондратенко И.Ю. Разработка обобщенных зависимостей для определения контактных термосопротивлений в вакууме. // Сб. науч. труд, юбилейной конференции молодых ученых. Воронеж: ВГЛТА, 2000. - С. 29-33.98

68. Thomas T.R., Probert S.D. Thermal contact resistance of solids. // Chemical and Process Enginering. 1966. - Vol.47. - № 11P. 51 -60.

69. Clausing A.M., Chao B.T. Thermal Contact Resistance in a Vacuum Environment. // Journal Heat Transfer. 1965. - P. 50-58.

70. Fried E., Atkins H. Interface thermal conductance in a vacuum. // Journal Spacecraft and Rockets. 1965. - Vol.2. - №4. - P. 73-81.

71. Гайорог. Исследование теплоизоляционных материалов для контактирующих поверхностей. // В кн. Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов. М.: Мир. 1974. - С. 234-258.

72. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962.-111с.

73. Thomas T.R., Probert S.D. Thermal Contact Resistance: The Directional Effect and Other Problems. // International Journal of Heat and Mass Transfer. Vol.13.- 1970.-P. 789-807.

74. Ильченко O.T., Капинос B.M. Тепловая проводимость слоя, образованного выступами шероховатости. // Изв. высших учебных заведений. Энергетика. -1958.-№9 .-С. 77-89.

75. Мальков В.А. Исследование температурных зависимостей контактного термического сопротивления. // Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт. 1973.- №4. С.77-89.

76. Hays G. Thermal Conductance of Aluminia nickel Interfaces at Elevated Temperatures. // International Journal of Heat and Mass Transfer. - Vol.13. - №8. -1970.-P. 114-120.99

77. Yovanovich M. Thermal Contact Resistance Across Elastically Deformed Spheres. // Journal of Spacecraft and Rockets. 1967. - Vol.4. - №1. - P .119122.

78. Данилов Ю.И., Меснянкин С.Ю., Михайлова T.B. и др. Особенности контактного теплообмена для различных типов соединений. // Труды МАИ. Тепло и массообмен между потоками и поверхностями. - М.: Изд-во МАИ, 1980.-С. 76-81.

79. Геращенко O.A. Основы теплометрии. Киев: Наукова думка, 1971. - 224с.

80. Гродштейн И.С., Рыжик Н.М. Таблицы интегралов, сумм рядов и производных- М.: Физматгиз, 1963. 1100с.

81. Фалеев C.B., Черноусов И.В. Численное моделирование тепломассопереноса в щелевых зазорах. // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж — ВГТУ, 1997. С. 73-79.

82. Краткий физико-технический справочник. // Под ред. К.П. Яковлева М.: Физматгиз, 1962. - Т.2. - 417с.

83. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963. 308с.

84. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968. - 384с.

85. Материалы в машиностроении. В кн. Цветные металлы и сплавы. т1. М.: Машиностроение, 1967. - 304с.

86. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник для конструкторов. М.: Машгиз, 1962. 237с.

87. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.-704с.

88. Джонсон H., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: Наука, 1980. 326с.

89. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Изд-во стандартов, 1973.-316с.100

90. Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. М.: Выс шая школа, 1967. - 248с.

91. Авдуевский B.C. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. М.: Оборонгиз, 1960. -484с.102