ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ МОДЕЛИ НА КОНВЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ К ХОЛОДНОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ В СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЯХ ДИССОЦИИРОВАННОГО ВОЗДУХА В ВЧ-ПЛАЗМОТРОНЕ
Investigation of Influence of Model Geometry on Convective Heat Transfer to Cold Catalytic Surface in Supersonic Dissociated Air Flows in HF-Plasmatron
Heat transfer experiments were carried out by 100-kW power RF-plasmatron VGU-4 at IPMech RAS. Heat transfer rates were investigated in underexpanded dissociated air jets using three different cylindrical water-cooled copper 20-mm diameter models with flat nose, spherical nose, and rounded edge combined with flat end. Stagnation point heat fluxes were measured using water-cooled copper calorimeters with flat and spherical front faces. Heat flux measurements were fulfilled in dissociated air jets running out of water-cooled conical nozzles with diameter 40 and 50 mm at the ground pressure 8.5 hPa, mass flow rate 3.6 g/s and RF-generator anode power 64 kW. Distance between stagnation point on model surface and conical nozzle exit was 30 mm. For RF-plasmatron supersonic tests conditions CFD modeling of nonequilibrium dissociated air flow fields around different models were carried out taking into account chemical gas-phase and surface catalytic reactions. Acceptable agreement between experimental data related to copper surface and numerical computations in terms of stagnation point fluxes were achieved at the effective surface atom recombination rate = 0.1.
RF-plasmatron, supersonic dissociated air flows, heat transfer, CFD modeling, catalytic recombination of atoms
Эксперименты по теплообмену проводились на 100-киловаттном высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4. Теплообмен в недорасширенных струях диссоциированного воздуха исследовался на трех медных водоохлаждаемых цилиндрических моделях диаметром 20 мм: с плоским торцом, со сферической носовой частью, со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Тепловые потоки в носовой части моделей измерялись проточными стационарными калориметрами с плоской или сферической тепловоспринимающей поверхностью из меди. Измерения проведены в недорасширенных струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из водоохлаждаемых конических сопел с диаметрами выходных сечений 40 и 50 мм при давлении в затопленном пространстве 8.5 гПа, расходе воздуха 3.6 г/c и мощности ВЧ-генератора плазмотрона по анодному питанию 64 кВт. Расстояние между передней критической точкой модели и срезом сопла во всех экспериментах составляло 30 мм. Для условий экспериментов выполнено численное моделирование обтекания моделей различной геометрии в рамках уравнений Навье-Стокса для многокомпонентного неравновесно диссоциированного воздуха с учетом химических реакций в потоке и на холодной поверхности. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных данных по тепловым потокам в точке торможения при эффективном коэффициенте ге-терогенной рекомбинации = 0.1.
индукционный ВЧ-плазмотрон, сверхзвуковые струи диссоциированного воздуха, тепловые потоки в точке торможения, численное моделирование, каталитическая рекомбинация атомов.
1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to "Buran's" Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPE Journal. 1992. V. 28. No. 3. PP.29-33. 2. Гордеев А. Н., Колесников А. Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ // Сб. Актуальные проблемы механики: Физико-химическая механика жидкостей и газов. Москва, Наука. 2010. С. 151—177. 3. Колесников А. Ф., Гордеев А. Н., Васильевский С. А. Моделирование нагрева в критической точке и определение каталитической активности поверхности для спускаемого аппарата «EXPERT»//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/123/ 4. Васильевский С.А., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Локальное моделирование аэродинамического нагрева поверхности затупленного тела в дозвуковых высокоэнтальпийных потоках воздуха: теория и эксперимент на ВЧ-плазмотроне // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2017. №1. С. 160-167. 5. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б., Мурзинов И.Н., Румынский А.Н., Кузьмин Л.А. Высокочастотный плазмотрон – установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение. 1994. № 2. С. 22-32. 6. Жестков Б.Е. Исследование термохимической устойчивости теплозащитных материалов // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 5. С. 62-77. 7. Chazot O., Krassilchikoff H.V., Thomel J. TPS Ground Testing in Plasma Wind Tunnel for Catalytic Properties Determination. 46th AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, AIAA Paper 2008-1252, Jan. 2008. https://doi.org/10.2514/6.2008-1252 8. Herdrich G., Auweter-Kurtz M., Kurtz H., Laux T., Winter M. Operational Behavior of Inductively Heated Plasma Source IPG-3 for Entry Simulations // J. Thermophys. Heat Trans. 2002. V. 16. No. 3. https://doi.org/10.2514/2.6698 9. Fletcher D.G., Meyers J.M. Surface Catalyzed Reaction Efficiencies in Oxygen Plasmas from Laser Induced Fluorescence Measurements // J. Thermophys. Heat Trans. 2017. V. 31. No. 2. PP. 410-420. https://doi.org/10.2514/1.T4923 10. Колесников А. Ф., Гордеев А. Н., Сахаров В. И. Течение и теплообмен в сверхзвуковых струях воздушной плазмы: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т. 7. http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/436/ 11. Васильевский С.А., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Исследование точности моделирования конвективного теплообмена в дозвуковых струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2020. Т.21. №2. С.1-13. DOI 10.33257/PhChGD.21.2.905 12. ASTM E422-05(2016). Standard Test Method for Measuring Heat Flux Using a Water-Cooled Calorimeter // ASTM International, West Conshohocken, PA. –– 2016. 13. Afonina N.E., Gromov V.G., Sakharov V.I. HIGHTEMP technique of high temperature gas flows numerical simulations // Proc. 5th Europ. Symp. on Aerothermodyn. Spase Vehicles. Cologne, Germany, 2004. SP 563. Noordwijk: ESTEC, 2004. PP. 323-328. 14. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона // Изв. РАН МЖГ. 2007. № 6. С. 157-168. 15. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. М.: Наука, 1978. Т.1. Кн. 1. 495с; Т.1. Кн. 2. 327 с. 16. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двухатомных молекул в термически равновесных условиях // Изв. РАН МЖГ. 1999. №1. С. 181-186. 17. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Изв. РАН МЖГ. 1995. №2. С. 169-182. https://doi.org/10.1007/BF02029844 18. Park C., Howe J.T., Jaffe R.L., Candler G.V. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II: Mars Entries // J. Thermophys. Heat Trans. 1994. V.8. No.1. PP. 9-23. https://doi.org/10.2514/3.496 19. Losev S.A., Makarov V.N., Pogosbekyan M. Ju., Shatalov O.P., Nikol’sky V.S. Thermochemical nonequilibrium kinetic models in strong shock waves on air // AIAA Paper. 1990. № 1994. 13p. https://doi.org/10.2514/6.1994-1990 20. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с. 21. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p. 22. Afonina N.E.,Gromov V.G. Thermochemical nonequilibrium computations for a MARS express probe // Proc. 3rd Europ. Symp. Aerothermodynam. Space Vehicles, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands. 1998. P. 179-186. 23. Гордеев О.А., Калинин А.П., Комов А.Л., Люстерник В.Е., Самуйлов Е.В. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. ТФЦ-М: ИВТАН, 1985. №5 (55). 100 с. 24. Bottin B., Chazot O., Carbonaro M., Van der Haegen V., Paris S. The VKI plasmatron characteristics and performance: tech. rep. / Von Karman Institute For Fluid Dynamics. Rhode-Saint-Genese (Belgium), 2000. P. 1––27.
