Структура пористых материалов и гидродинамика течения в порах. Пористое охлаждение сочетает в себе многие лучшие черты разрушающейся тепловой защиты с преимуществами систем с накоплением тепла. Наиболее важным является то, что за счет активного взаимодействия охладителя с набегающим потоком газа уменьшается тепловой поток к поверхности, но внешний контур поверхности тела не изменяется во времени, как бы долго ни продолжалось тепловое воздействие. Механизм пористого охлаждения складывается в общем из двух процессов: внутреннего теплообмена, во время которого газ отбирает тепло от пористой стенки при фильтрации к внешней поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающий газ, покинув стенку, диффундирует через пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток. Именно этот второй процесс обеспечивает более высокую эффективность пористого охлаждения по сравнению с системами накопления тепла.
Прежде всего рассмотрим некоторые общие свойства пористых систем. Под пористой средой обычно понимают твердое тело, содержащее пустые промежутки (поры), распределенные более или менее равномерно по объему тела. Основной характеристикой такой среды является пористость. Объемная пористость материала обычно определяется как отношение объема пор к объему тела. Остальная часть общего объема материала занята частицами твердого каркаса. Существует ряд экспериментальных методик для определения пористости различных материалов.
Под структурой пористого тела понимают геометрическое строение твердого каркаса, характеризуемое взаимным расположением его элементов.
Для описания структуры пористых тел используются, как правило, упрощенные модели, в основе которых лежит либо представление о порах тела как о капиллярных цилиндрических трубах, либо пористое тело рассматривается как система сферических частиц, которые могут быть и пустотелыми. Эти шары могут быть уложены различным образом. Известно, что наибольшая пористость получается при использовании одинаковых по размеру сферических зерен. В качестве простейших форм укладки можно привести кубическую или ромбическую. От вида укладки и геометрии частиц зависит величина и форма капилляров между ними. Пористость среды, состоящей из сферических частиц одинакового диаметра определяется только видом укладки. Кубическая укладка характеризуется пористостью 0,476, а при наиболее плотной — ромбической упаковке пористость снижается до 0,259. Это значение соответствует теоретически минимальной пористости при упаковке сфер без их деформации. В реальных материалах практически всегда имеются зерна различных размеров, что заметно снижает пористость и размер пор.
11 июля 2012
