2.2 Анализ динамики тепловых потоков при нанесении порошковых покрытий

Для определения динамики тепловых потоков в материале подложки, нагреваемой газовой струей на базе известных исследований, построим ее простую физическую модель, которая позволяет адекватно определить тепловые потоки, нагревающие подложку. Данная струя, которая нагревает и ускоряет инжектируемые в нее микрочастицы порошковых материалов, является результатом реакции горения керосина в атмосфере кислорода. В соответствии с параметрами струи и расходом порошкового материала общее энерго содержание потока микрочастиц (кинетическая энергия и энергия нагрева) составляет величину порядка 1% от тепловой энергии струи, поэтому влиянием этого потока на тепловые процессы в струе и подложке можно пренебречь.

Согласно, где рассмотрена динамика взаимодействия сверхзвуковой струи с преградой, выделим в потоке три области (рис. 2.1).

Первая область характеризуется сверхзвуковым течением, которое еще не достигло поверхности подложки и представляет собой поток газа цилиндрической формы радиуса На границе этой области струя обладает скоростью газа у₀, температурой и плотностью Т₀п р₀ — соответственно.

Вторая область, область удара струи о поверхность подложки характеризуется сжатием газа и изменением направления вектора скорости.

И, наконец, третья область характеризуется растеканием газа вдоль поверхности подложки. Полагаем, что в этой области давление в струе выравнивается с давлением окружающей среды, плотность и температура газа за счет динамики меняются достаточно слабо,, скорость потока падает, как, а толщина слоя струи Н остается постоянной.

Рисунок 2.1 -Структура потока газовой струи

Из следует, что на границе второй и третьей области в случае прямого падения струи, начиная с координаты r=R₂, где R₂=(1-2)К₀, сверхзвуковое течение достигает скорости звука и переходит в дозвуковое течение.

Оценим параметры газа в струе во второй области в случае прямого и косого падения.

Отношение температур струи во второй и первой областях дается следующим выражением [94]:

(2.2)

Так как струя представляет собой набор продуктов сгорания керосина в атмосфере кислорода (НrО; СН; СО; О; Оr', К; Ni и т.д.), то можно считать, что показатель адиабаты у газа струи равен 1,4 -г 1,7.

Что же касается числа Маха М, то оно определяется скоростью звука в струе, при том последняя величина выражается как [94]:

(2.3)

где К_Б ~ константа Больцмана,

М_с — молярная масса газа.

На рис.2.2 изображены зависимости температуры газовой струи во второй области для прямого падения струи и падения под углом в зависимости от температуры газа в падающей струе Т₀ и ее скорости. Как следует из графиков на рис.2.2 для скорости струи 2,4 км/с и ее температуры 2000К в случае прямого удара температура газа у подложки вдвое превышает соответствующее значение в падающей струе. Причиной этого является мощная ударная волна, образующаяся при переходе от сверхзвукового к дозвуковому течению. В то же время, как это следует в случае падения струи под углом 45° данный эффект проявляется гораздо слабее: температура газа у подложки в 1,5 раза ниже температуры газа в случае прямого.

Оценим передачу тепла от нагретого потока газа к обтекаемой подложке. Этот процесс целиком определяется поведением вязкого пограничного слоя газа у поверхности обтекаемого тела. Отметим, что перенос тепла происходит за счет механизма газокинетической теплопроводности, т. к. лучистая теплопроводность в данном случае пренебрежимо мала.

Оценки показывают, что в рассматриваемом случае для падения струи на подложку под углом 45° за счет плавного обтекания поверхности реализуется главным образом ламинарный характер течения газа в пограничном слое, а при прямом ударе — турбулентный. Во всяком случае числа Рейнольса для всех этих течений лежат в так называемой переходной области: (4-6)-10⁵. В этой связи в дальнейшем будем учитывать только Д_Т — для прямого падения струи и. Д_ь — для падения ее под углом qт, Вт/м²

Рисунок 2.2 - Тепловые потоки, нагревающие подложку. Параметром у кривых является скорость потока о)₀ [км/с]: а) тепловой поток д_т для прямого45°падения струи; б) отношение тепловых потоков для прямого падения струи и q_L- для падения струи под углом 45°

На рис.2.2 представлены зависимости тепловых потоков q_T и qL от температуры и скорости q_L - наклонному (под углом 45°) падению.

Как следует из рис.2.10 значение q_T превосходит q_L для рассматриваемых значений v₀ и То от 4 до 5 раз, что свидетельствует о гораздо более интенсивной тепловой нагрузке подложки в случае прямого удара струи. Что же касается абсолютного значения величины q_T, равного 3-10 Вт/м, то его сопоставление с экспериментальными данными свидетельствует о несколько заниженном значении.