Влияние ветра на температуру и увлажнение образцов материалов при климатических испытаниях

Введение

Создание новых материалов как инженерный процесс должно выполняться в соответствии с последними достижениями цифровых технологий. Так, проектирование технических изделий в настоящее время основано на использовании цифровых технологий (конструирование, прочностные расчеты, создание макетов и др.). При компьютерных расчетах для конструкционных материалов учитывается набор механических характеристик, для функциональных – служебные свойства. Наборы характеристик, как правило, представляют собой значения свойств для новых материалов без учета коррозии и старения под действием климатических факторов. Внешние воздействующие факторы в значительной степени изменяют свойства материалов. Без учета изменения расчетных характеристик в процессе эксплуатации могут возникнуть значительные ошибки при проектировании и определении ресурса эксплуатации материала.

Для корректировки расчетных значений характеристик проводятся климатические испытания материала как в свободном состоянии, так и с наложением периодических и постоянных механических нагрузок. В результате проведения испытаний можно получить значения характеристик материала после воздействия конкретного климата и сочетания факторов, характерных для данного региона. Учитывая, что эксплуатация транспортных средств, особенно воздушных судов, осуществляется в разных климатических зонах с переменной интенсивностью, сведений об изменении характеристик после климатических испытаний для расчетов недостаточно. Для расчетов изменения свойств материала под воздействием множества факторов в различных климатических зонах необходимо от дискретных значений климатической стойкости переходить к функциональным зависимостям варьирования служебных характеристик материала при воздействии климатических факторов и эксплуатационных нагрузок.

Авторами работ [1–4] и др. получены модели изменения характеристик материалов под действием влаги, температуры и солнечной радиации. С использованием разработанных подходов появляется возможность создания функциональных моделей изменения свойств материала при различных сочетаниях и уровнях действующих факторов. Тем не менее эти три фактора не отражают всего многообразия внешних воздействий.

Как правило, при оценке климатического воздействия из-за сложности и неоднозначности влияния в расчетах не учитываются ветер, осадки (дождь, град, снег, выпадающая роса), переход температуры через нулевое значение, совместное влияние увлажнения и низких температур, которые приводят к ускоренному разрушению пористых материалов во влажном климате. Ветер является наименее изученным фактором [5, 6]. Необходимо отметить, что движение воздушных масс над/под поверхностью материала вызывает значительное ускорение процессов сорбции/десорбции влаги и химически агрессивных ионов, приводит к абразивному износу, влияет на количество скапливающегося снега, его неравномерное распределение на открытой поверхности и в застойных зонах. Ветер воздействует на материал не индивидуально, а в совокупности с другими климатическими факторами. Сухой ветер высушивает поверхность, влажный – может увеличить увлажнение. Горячий поток ветра может вызвать интенсивное старение, холодный, наоборот, – замедляет этот процесс.

При наличии ветра значительно изменяется динамика процесса «влагонасыщение–сушка» материалов. При интенсивной сушке и испарении избыточной влаги под действием ветра изменяется температура поверхности материала: чем больше влаги и активнее испарение, тем значительнее снижается температура поверхности.

Поскольку влагонасыщение обуславливает изменение прочности и старение полимерных композиционных материалов, ветер влияет на сохраняемость свойств. Следовательно, оценка воздушных потоков необходима для понимания процессов, происходящих в полимерном композиционном материале при эксплуатации под воздействием климатических факторов.

Направление, влажность и температура ветра (изменение этих параметров по отношению к стационарным условиям) не учитываются. Единственной областью инженерных исследований ветра является архитектура. Здания и сооружения возводятся с учетом розы ветров, изменений температуры и давления ветра между строениями для обеспечения, с одной стороны, проветривания междомового пространства, с другой – для снижения наносов снега, скорости ветра в промежутках между конструкциями и комфортного пребывания людей [7].

Цель данной работы – определить основные закономерности влияния ветра на влагонасыщение и температуру поверхности образца материала.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

В данной работе использованы известные зависимости изменения энергетических характеристик системы «материал–окружающая среда» [8–10].

Важнейшим законом термодинамики является закон сохранения энергии, который гласит, что тепло Q, поступающее в систему извне, используется для увеличения ее внутренней энергии U и выполнения работы A против внешних воздействий. Этот закон в дифференциальной форме описывается уравнением

dU = dQ – dA.                                                           (1)

Внутренняя энергия материала зависит от его энергетических характеристик, а также их изменения в результате химических и физических процессов. Изменение энтропии S определяет количество энергии, получаемой системой при данной температуре T, согласно уравнению

dQ = TdS.                                                                 (2)

Работа A выполняется под действием внешних сил, таких как механические, электрические, гравитационные или химические, и рассчитывается с использованием уравнения

                                                   (3)

где X_i – воздействие каждого фактора i из n; x_i – координаты точки действия факторов X_i.

В качестве факторов учитываются давление P_i, внутренние и внешние напряжения, прилагаемые нагрузки σ_i и факторы климата: влажность j_i, температура Т_i, солнечная радиация R_i, ветер со скоростью υ (ветер, кроме того, характеризуется направлением , температурой T_в, влажностью j_в, содержанием твердых частиц C_т и др.) и т. д.; в качестве обобщенных координат – объем V_i, радиус r_i и т. д.:

dU = TdS – σdV.                                                         (4)

Процессы, происходящие на поверхности и в объеме полимерного материала, зависят от параметров, определяющих состояние системы «материал–окружающая среда» (энтропия или температура, давление или объем) [11].

Воздействие потока воздуха наиболее полно описывают при расчетах воздушных теплообменников. При этом поток воздуха (ветер) характеризуется скоростью, температурой и влажностью. Влияние влажности особенно важно, так как этот параметр постоянно изменяется и во многом определяет способность потока воздуха осушать или насыщать влагой полимерный композиционный материал [12, 13].

Теплосодержание материала (энтальпия H термодинамической системы) определяется по формуле [14]

H ≡ U+ PV,                                                                (5)

где Р – давление, Па.

Формула расчета точки росы

Определение точки росы необходимо для оценки возможности увлажнения или высыхания поверхности. Температуру точки росы t_р в зависимости от температуры t_в и относительной влажности φ воздуха рассчитывают по формуле [15]

                                                               (6)

                                           (7)

где a = 17,27; b = 237,7.

При t_p t_в происходит выпадение влаги воздуха на поверхности материала, при t_p > t_в поверхность высыхает.

Расчет изменения температуры влажной поверхности при ветре

При штилевом ветре (скорость ˂0,5 м/с) температура поверхности изменяется в зависимости от скорости конвективного испарения и теплопроводности материала. Далее не учитывается лучистое воздействие источников тепла и нагревания под действием солнечной радиации. Температура увлажненной поверхности как металлического, так и полимерного материала равна температуре увлажненного термометра. В соответствии с работой [16] можно определить разницу температур воздуха и увлажненной поверхности образца материала.

Для расчета температуры образца материала при охлаждении в результате испарения влаги необходимо иметь данные о значениях влажности и температуры воздуха. Водяной пар входит в состав сложной газовой смеси и равномерно распределен во всем объеме влажного газа. Доля водяного пара в газовой смеси, соответствующая 100%-ной влажности, равна доле плотности пара ρ_п при температуре t_в и парциальном давлении P_п. Тогда относительная влажность j составляет:

                                                  (8)

где P_в – давление насыщенного водяного пара при t_в, Па; ρ_н.п – плотность насыщенного пара.

Относительная влажность воздуха, движущегося со скоростью ω, рассчитывается с поправкой:

                                                 (9)

где t_m – температура увлажненного термометра, °С; P_п – парциальное давление водяного пара в потоке воздуха, Па; P_m – давление насыщенного водяного пара при t_m, Па; П – барометрическое давление, Па; В – коэффициент, зависящий от скорости ветра.

При ω > 0,5 м/с коэффициент В рассчитывается по формуле

                                         (10)

Влагосодержание воздуха δ – количество водяного пара (кг) в 1 кг сухого воздуха:

                                                        (11)

где P_s – давление сухого воздуха, Па.

Теплосодержание (энтальпия) паровоздушной смеси, отнесенное к 1 кг сухого воздуха [17]:

H_в = (C_с.в + C_п)t_в + R₀δ,                                               (12)

где H_в – энтальпия воздуха, Дж; C_с.в – средняя удельная теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг·К); C_п – удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·К); R₀ – удельная теплота парообразования воды при температуре t_в, Дж/кг.

Плотность влажного воздуха ρ_в при давлении П и температуре Т = 273 + t_в определяется по уравнению

ρ_в = ρ_s + ρ_п,                                                               (13)

в котором плотность сухого воздуха ρ_s и плотность водяного пара ρ_п указываются при своем парциальном давлении

                                          (14)

Основные характеристики влажного воздуха (Н_в, δ, t_m) можно определить по диаграмме «энтальпия–влагосодержание», разработанной Л.К. Рамзиным [18].

Минимальной температурой влажной поверхности материала является t_m – температура увлажненного термометра. Следовательно, по значению t_m можно однозначно определить энтальпию и влагосодержание воздуха [19]. В этом случае температуру поверхности можно рассчитать по формуле, полученной из выражения (9):

                                                      (15)

Расчет времени высыхания влажной поверхности при ветре

Различные варианты расчета достаточно давно используются в гидрологии [20]. Однако они адаптированы для нужд данной области и несколько отличаются от первоначальной зависимости, выведенной Дальтоном [21], которая преобразована в работах [22, 23]. В соответствии с ней масса воды, испаряющейся с поверхности образца за 1 ч, определяется по формуле

                                                (16)

где F – площадь образца, м²; с – поправочный коэффициент, зависящий от давления потока и скорости движения воздуха над водяной поверхностью (при движении воздуха вдоль смоченной поверхности с = 0,02 + 0,016ω, где ω – скорость движения воздуха, м/с); p_н – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре воды, мм рт. ст.; p_в – парциальное давление водяных паров в воздухе помещения, мм рт. ст.; П – барометрическое давление, мм рт. ст.

Для поверхности образца важно не только определить скорость испарения, но и оценить время высыхания путем интегрирования и преобразования формулы (16):

                                                  (17)

Время до высыхания образца можно вычислить по формуле

                                                 (18)

Высота слоя воды на плоской гладкой гидрофобной поверхности [24] будет определяться по формуле

                                                       (19)

где ρ_ж – плотность жидкости; γ – поверхностное натяжение жидкости; θ – угол наклона образца, который находится в диапазоне от 0 до π/2.

Область применения предлагаемой формулы (19) ограничена начальным временным отрезком экспозиции гладких образцов – до значимого проявления эрозии полимерной матрицы или коррозии металла. Для шероховатых и неровных поверхностей высоту слоя воды можно определить экспериментально.

Максимальная масса воды на образце наблюдается после выпадения осадков или росы и может быть вычислена по формуле

G = Fρ_жh.                                                               (20)

В течение всего времени τ температура поверхности образца будет равна t_p t_в. Температурное старение неметаллов и скорость электрохимической коррозии металлов будут замедленными.

Изменение энергии поверхности образца при высыхании свободной влаги можно оценить по потере тепла:

ΔH_ω = Q_ω – Q_потерь = С_п (t – t_в.п) – Q_потерь,              (21)

где Q_ω – потери тепла с удаляемой влагой, Дж; Q_потерь – поток тепла через стенки образца в окружающую среду, Дж; С_п – теплоемкость материала, Дж/К; t и t_в.п – температура на данный момент и полностью влажной поверхности.

Согласно уравнению теплоотдачи, поток тепла через стенки образца в окружающую среду (воздух) определяется по формуле

Q_потерь = α_стF_ст(Т_ст – Т_в),                                            (22)

где α_ст – суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией, Вт/(м²·К); F_ст – площадь поверхности образца, через которую теряется тепло в окружающую среду, м²; T_ст – средняя температура поверхности образца, К; T_в – температура окружающего воздуха, К.

В инженерных расчетах коэффициент теплоотдачи α_ст определяют по эмпирической зависимости

α_ст = 9,3 + 0,058(Т_ст – Т_в).                                             (23)

Заключения

На основании проведенного анализа представлена формула расчета температуры точки росы для оценки возможности/невозможности выпадения влаги на поверхности материала. Выведены формулы для расчета изменения температуры поверхности образца и времени его высыхания (испарения свободной влаги). Получена формула для расчета количества (высоты слоя) влаги на поверхности образца после выпадения жидких осадков.

В соответствии с приведенными формулами на основании метеоданных можно определить в любой момент температуру и время до высыхания образца при низкой влажности воздуха или, наоборот, время увлажнения при высокой влажности. Можно определить граничные условия (т. е. параметры, при которых происходят увлажнение образца, диффузия влаги в объем образца или воздействие коррозионных процессов), время удаления свободной влаги в процессе сушки влажной поверхности и момент начала диффузии влаги из образца в атмосферу или перехода коррозионного процесса от электрохимического к химическому.

Определен вклад ветра в энергетический баланс образца материала в условиях испарения с его поверхности свободной влаги при климатическом воздействии, что позволит увеличить точность прогнозирования сохраняемости свойств полимерных композиционных материалов и скорости коррозии металлов.