Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Испытание летательных аппаратов и их систем

Диссертационная работа:

Мьо Тан. Разработка методического и алгоритмического обеспечения тепловых испытаний материалов и элементов конструкции в стендах с газоразрядными источниками излучения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.07 / Мьо Тан; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана]. - Москва, 2008. - 183 с. : ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.

Введение 5

Глава 1. Состояние проблемы тепловых испытаний в стендах с

газоразрядными источниками излучения и постановка задачи

исследования '. 12

1.1. Характеристики газоразрядных источников излучения и свойства
кварцевых стекол 12

  1. Характеристики газоразрядных источников излучения и область их применения 12

  2. Свойства кварцевых стекол 20

1.2. Установки для тепловых испытаний с использованием
газоразрядных источников излучения 25

1.2.1. Схемы нагревательных блоков и установок с трубчатыми
газоразрядными источниками излучения 25

1.3. Методы расчета радиационного и радиационно-кондуктивного
теплообмена в замкнутой системе с газоразрядными источниками
излучения 35

  1. Зональный метод расчета радиационного теплообмена 35

  2. Обобщенный зональный метод расчета радиационного теплообмена ^

  3. Метод расчета радиационного теплообмена, предложенный Г.Л. Поляком (метод сальдо) 40

  4. Основные особенности расчета радиационного теплообмена методом Монте-Карло 41

  5. Метод расчета сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена 43

1.4. Роль формы отражателя и прозрачности источника в
формировании потока излучения на поверхности объекта испытания 45

стр.

1.5. Постановка задачи исследования 52

Выводы по главе 1 56

Глава 2. Теория расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в
системе со спектрально-селективными свойствами 57

  1. Особенности радиационного теплообмена в рабочем участке стенда с газоразрядными источниками излучения и его математическая модель 57

  2. Математическая модель, метод и алгоритм решения сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ 63

  3. Физическая модель водоохлаждаемого газоразрядного источника

излучения и его коэффициент полезного действия 88

Выводы по главе 2 ". 101

Глава 3. Выбор параметров нагревательного блока, анализ теплового

режима объекта испытаний и алгоритм его моделирования ; 102

  1. Выбор формы рефлектора для нагревателя с газоразрядными источниками излучения .' 102

  2. Анализ влияния спектральных характеристик излучения на температурное состояние объекта испытания 113

  3. Выравнивание неравномерности температурного поля образца по его ширине, вызванной особенностями конструктивной схемы рабочего участка 122

  4. Алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания 132 Выводы по главе 3 . 142

Глава 4. Тепловой режим оболочек водоохлаждаемого ГИИ и

экспериментальная проверка основных результатов исследования 143

4.1. Тепловой режим водоохлаждаемых оболочек газоразрядного
источника излучения 143

стр.

  1. Описание экспериментальной установки 152

  2. Экспериментальная проверка основных результатов и допущений расчета теплообмена в рабочем участке стенда 156

Выводы по главе 4 168

Основные выводы и результаты 169

Список литературы 172

Введение к работе:

Начало 70-х годов минувшего столетия отмечено созданием и практическим использованием космических аппаратов нового поколения - многоразовых пилотируемых и автоматических кораблей. Их появление было тесно связано с интенсивными исследованиями в области химии, материаловедения, теоретических основ теплообмена, технологии и многих других наук.

Одной из самых серьезных проблем при этом оказалось проблема создания надежной тепловой защиты несущей конструкции аппарата. В результате выполненных исследований были разработаны новые конструкционные материалы, способные многократно выдерживать высокие тепловые нагрузки, сохраняя при этом свою целостность и работоспособность. Примечательно, что некоторые из них, например, такие как ТЗМК-10, успешно использованные в тепловой защите кораблей Шаттл и Буран, нашли применение в народном хозяйстве. ТЗМК применяется в производстве эффективных лабораторных печей сопротивления, в которых, благодаря его свойствам, за короткий промежуток времени удается достигать температуры 1250 С. Такие печи нашли применение при термической обработке металлов, проведении химических исследований, в художественных промыслах для обжига фарфора, нанесения покрытий и пр.

С появлением новых высокотемпературных материалов и теплозащитных конструкций на их основе обострилась проблема определения их свойств, возможностей и области применения. Многие вопросы указанной проблемы решались и решаются в процессе тепловых испытаний образцов в стендах радиационного нагрева и использованием галогенных ламп и концентраторов солнечной энергии.

Стенды радиационного нагрева представляют собой наиболее экономичный тип установок, обеспечивающих тепловые испытания конструктивных и теплозащитных элементов в диапазоне температур до 1600 С.

Более высокий уровень нагрева материалов и элементов конструкций достаточно больших размеров удается реализовать в стендах с мощными водо-охлаждаемыми газоразрядными источниками излучения (ГИИ).

Актуальность настоящей работы связана с проблемой совершенствования технических средств, методов подготовки и проведения испытаний конструкций летательных аппаратов (ЛА) в стендах радиационного нагрева с использованием ГИИ.

Процесс теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ характеризуется, по крайней мере, двумя особенностями, отличающими его от теплообмена в рабочем участке стенда с галогенными лампами накаливания (ГЛН): отличием спектра излучения ГИИ от спектра излучения нагреваемого объекта и второе -заметное дискретное расположение источников над нагреваемой поверхностью. Кроме того ГИИ имеют существенно больший диаметр поперечного сечения (в два раза) по сравнению с ГЛН, что приводит к необходимости тщательно анализировать вопросы затенения ими излучения, поступающего от рефлектора на поверхность объекта испытания.

Возможность создания с помощью ГИИ тепловых потоков большой плотности делает актуальным также вопрос обеспечения требуемого теплового режима самих ГИИ. Правильно выбранный режим охлаждения ГИИ не только обеспечивает требуемое температурное состояние его оболочек, но во многом определяет допустимое значение мощности и ресурс работы ГИИ.

Важнейшей задачей, решаемой на этапе подготовки тепловых испытаний конструкции ЛА, является задача о выборе режима работы источников излучения, их пространственном расположения, концентрации излучения, которые в совокупности обеспечивают заданное температурное состояние объекта испытания. В соответствующем расчете одним из основных определяющих параметров становится коэффициент полезного действия источника излучения. Знание этого коэффициента, определению которого посвящен один из разделов диссертации, служит исходной информацией для расчета потока излучения, па-

7 дающего на поверхность объекта испытания и определения режима охлаждения

оболочек ГИИ.

Цель Работы. Основной целью диссертационной работы является повышение надежности и достоверности моделирования тепловых режимов ЛА за счет создания более точных методов и эффективных алгоритмов расчета теплообмена в рабочих участках стендов радиационного нагрева с водоохлаждаемы-ми газоразрядными источниками излучения.

Исходя из сформулированной выше цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи.

  1. Анализ состояния проблемы тепловых испытаний материалов и элементов конструкций в стендах радиационного нагрева с источниками излучения различного спектра.

  2. Создание алгоритма определения спектральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих в рабочем участке стенда.

  3. Разработка математической модели сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.

  4. Разработка модели прозрачности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения для собственного и внешнего излучений.

  5. Определение коэффициента полезного действия источника излучения.

  6. Создание программы расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.

  7. Оценка эффективности рефлектора и выбор его формы.

  8. Разработка алгоритма моделирования теплового режима элемента конструкции летательного аппарата.

  9. Разработка метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и определения его предельно допустимой мощности.

10. Экспериментальная проверка метода расчета теплообмена в рабочем
участке стенда.

8 Объектом настоящего исследования является рабочий участок стенда с

расположенным в нем образцом материала или элементом конструкции ЛА (объект испытания). Рабочий участок стенда представляет собой устройство, состоящее из нагревательного блока с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения и, в общем случае, ограждающих поверхностей, в котором размещают объект испытания.

Термин «образец материала» используется здесь в достаточно широком смысле, поскольку при одинаковости, например, структуры материала пластины, технологии ее изготовления, примененных в ней исходных материалов и сделанной из нее конструкции нет заметного различия в испытаниях «образца материала» и «элемента конструкции» изделия. Это полностью справедливо, по крайней мере, на этапе исследовательских испытаний, основной целью которых является отработка материалов теплозащиты и горячих конструкций, проверка их совместимости между собой, определение основных физико-маханических характеристик во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок и проверка их соответствия требованиям технического задания. На этапе исследовательских испытаний проходят аттестацию все материалы, которые планируют использовать в конструкции ЛА.

Предметом исследования является модель теплообмена в рабочем участке стенда, составляющая основу алгоритма моделирования теплового режима натурного объекта испытания. Под тепловым режимом понимается совокупность моделируемых процессов теплообмена, которые формируют заданное температурное состояние натурного объекта.

В качестве основного класса ЛА, на который ориентированы результаты исследования, рассматриваются многоразовые аэрокосмические аппараты, выполняемые из функционально неразрущаемых конструкционных материалов.

Методы исследования. В процессе исследования использованы: зональный метод решения задач радиационного теплообмена, метод элементарных

балансов, метод конечных элементов и аналитические методы определения

температурного состояния объекта испытания.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается рас-четно-теоретическим и экспериментальным обоснованием допущений, принимаемых при разработке физической и математической моделей расчета теплообмена а рабочем участке стенда, сопоставлением результатов вычислений с данными эксперимента и исследованиями, полученными ранее другими авторами.

Научная новизна. В диссертации:

1. Разработано методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов тепло
обмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми
газоразрядными источниками излучения, включающее в себя:

физическую модель источника излучения, на основе которой определяются его собственное и поглощаемое им внешнее излучения (эффект затенения);

алгоритм расчета спектральных и интегральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих на поверхности объектов испытания;

математическую модель сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда;

алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания;

совокупность программ расчета теплообмена в рабочем участке стенда с водоохлаждаемыми ГИИ, адаптированных к решению задач тепловых испытаний.

  1. Предложен критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы.

  2. Выполнен анализ метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и оценка его предельно-допустимой мощности.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке методического и алгоритмического обеспечения расчетов теплообмена в рабочем участке стенда с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющего моделировать тепловой режим объекта на этапах исследовательских и автономных испытаний.

Разработан метод определения предельной мощности источника излучения, исходя из ограничений на допустимую температуру поверхности его частично прозрачной оболочки, граничащей с плазменным разрядом.

Предложенный в работе критерий оценки эффективности рефлекторов обеспечивает выбор его формы в соответствии и требованиями задачи испытаний.

Результаты выполненных в диссертации исследований используются в учебном процессе кафедры «Космические аппараты и ракеты-носители (СМ-1) МГТУ им. Н.Э. Баумана и в исследовательской работе Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

  1. Методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов теплообмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющее не этапах исследовательских и автономных испытаний моделировать тепловые режимы натурных объектов.

  2. Результаты исследования влияния спектральных характеристик излучения на температурное поле объекта испытания.

  3. Результаты исследования способов выравнивания неравномерности температурного поля объекта испытания, связанной с дискретным расположением ГИИ и ограниченными размерами нагревательного блока.

  4. Метод определения предельной мощности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения по температурному состоянию его оболочки из частично прозрачного материала.

  5. Критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы. Апробация работы. Результаты диссертационной работы сообщались на - Международной научной конференции, посвященной 90-летию В.И.

Феодосьева «Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (Москва, 2006 г.),

- VII Международной научно-практической конференции «Молодые уче
ные - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образова
нию: проблемы и новые решения» (Москва, 2007 г.),

- XXXI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2007 г.),
Материалы диссертации рассматривались на научных семинарах кафедры

СМ-1 факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 3 научных статьях, изданных в реферируемых журналах, а также в материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 183 страниц, в том числе 150 страниц текста, 121 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 93 наименования.

Подобные работы
Альхаф М. Надер
Разработка программно-алгоритмического обеспечения для оценивания движения и характеристик аппаратов баллистического типа по результатам летных испытаний
Боровкова Татьяна Владимровна
Методика определения погрешности измерения температуры с помощью термопар в элементах конструкций из неметаллических функционально неразрушаемых материалов
Калиниченко Юрий Николаевич
Исследование и разработка источника оптического излучения на основе газоразрядной лампы с парами рубидия в квантовых стандартах частоты
Михайлова Ольга Валентиновна
Обоснование и разработка технических средств с источниками электромагнитных излучений для технологических процессов птицеводства
Щербаков Александр Владимирович
Разработка и исследование импульсных катодолюминофорных источников оптического излучения
Жуков Михаил Михайлович
Разработка устройств измерения дальности до сложного источника излучения при нарушении условия совместной оценки его параметров
Кузьмин Владимир Николаевич
Разработка и исследование приборов для измерения световых параметров источников оптического излучения
Рембовский Анатолий Маркович
Теоретические исследования, разработка и внедрение семейства радиосистем автоматизированного радиомониторинга, пеленгования и идентификации источников электромагнитного излучения
Анашин Василий Сергеевич
Разработка методов обеспечения функционирования устройств спутниковых телекоммуникаций в условиях длительного воздействия излучений космического пространства
Кузьмичев Виктор Анатольевич
Разработка методического и аппаратного обеспечения испытаний вентильно-индукторного электропривода

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net