Газодинамические аспекты эксперимента по теплообмену поверхности ультравысокотемпературной керамики в недорасширенной струе диссоциированого воздуха


Просмотр статьи
PDF, 3,8 МБ

Gasdynamics Aspects of the Heat Transfer Experiment with the UHTC Surface in Under-Expanded Dissociated Air Jet

For the conditions of the experiment in supersonic under-expanded jet of high-enthalpy air with ceramic samples HfB2-30об.%SiC and (HfB2-30об.%SiC)-2об.% CG, the numerical method in the framework of the Navier-Stokes equations and simplified Maxwell equations was used to simulate the air plasma flow in the discharge channel of the plasmatron and the flow of under-expanded jet of dissociated air around a cylindrical holder with a ceramic samples. The effective recombination coefficients of N and O atoms are determined for HfB2-30об.%SiC и (HfB2-30об.%SiC)-2об.% CG surfaces at 1716 и 1750 K wall temperatures through comparison of measured and calculated stagnation point heat fluxes.

HF-plasmatron, dissociated air, under-expanded jet, heat transfer, UHTC

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.6.1025


Том 23, выпуск 6, 2022 год



Для условий эксперимента на индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) в сверхзвуковой струе высокоэнтальпийного воздуха численным методом в рамках уравнений Навье-Стокса и упрощенных уравнений Максвелла выполнено моделирование течения плазмы воздуха в разрядном канале плазмотрона и обтекания недорасширенной струей диссоциированного воздуха цилиндрической державки с керамическим образцом. Представлены поля газодинамических параметров и анализируется сложная картина струйного обтекания модели неравновесно диссоциированным многокомпонентным воздухом. Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных по тепловым потокам в центре керамических образцов определены эффективные коэффициенты рекомбинации атомов N и O на поверхностях составов HfB2-30об.%SiC и (HfB2-30об.%SiC)-2об.% CG при температурах 1716 и 1750 K.

ВЧ-плазмотрон, диссоциированный воздух, недорасширенная струя, теплообмен, ультравысокотемпературная керамика

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.6.1025


Том 23, выпуск 6, 2022 год



1. Squire T.H., Marschall J. Material property requirements for analysis and design of UHTC components in hypersonic applications //Journal of the European Ceramic Society. 2010. Т. 30. №. 11. С. 2239-2251.
2. Savino R., Criscuolo L., Di Martino G.D., Mungiguerra S. Aero-thermo-chemical characterization of ultra-high-temperature ceramics for aerospace applications //Journal of the European Ceramic Society. 2018. Т. 38. №. 8. С. 2937-2953.
3. Fahrenholtz W.G., Wuchina E.J., Lee W.E., Zhou Y. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environment applications. John Wiley & Sons, 2014.
4. Justin J.F., Jankowiak A. Ultra High Temperature Ceramics: Densification, Properties and Thermal Stability //Aerospace Lab. 2011. №. 3. С. 1-11.
5. Simonenko E.P., Sevast’yanov D.V., Simonenko N.P., Sevast’yanov V.G., Kuznetsov N.T. Promising ultra-high-temperature ceramic materials for aerospace applications // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2013. Т. 58. №. 14. С. 1669-1693.
6. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V., Lysenkov A.S., Nagornov I.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Modification of HfB2–30% SiC UHTC with Graphene (1 vol %) and Its Influence on the Behavior in a Supersonic Air Jet // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. V. 66. № 9. P. 1405-1415.
7. Kolesnikov A.F., Kuznetsov N.T., Muravyeva T.I., Nagornov I.A., Sakharov V.I., Sevastyanov V.G., Simonenko E.P., Simonenko N.P., Chaplygin A.V., Shcherbakova O.O. Investigation of Heat Transfer to HfB2-SiC-Based Ceramics in Underexpanded Dissociated Nitrogen Flows and Analysis of the Surface // Fluid Dynamics. 2022. Т. 57. №. 4. С. 513-523.
8. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V., Lysenkov A.S., Nagornov I.A., Simonenko T.L., Gubin S.P., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Oxidation of graphene-modified HfB2-SiC ceramics by supersonic dissociated air flow //Journal of the European Ceramic Society. 2022. Т. 42. №. 1. С. 30-42.
9. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V., Sakharov V.I., Lysenkov A.S., Nagornov I.A., Kuznetsov N.T. Effect of 2 vol % graphene additive on heat transfer of ceramic material in underexpanded jets of dissociated air //Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2022. Т. 67, №. 12. С. 2050–2061.
10. Колесников А.Ф., Сахаров В.И., Чаплыгин А.В. Экспериментальное и численное моделирование теплообмена поверхности ультравысокотемпературной керамики в недорасширенных струях диссоциированного азота //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-1/articles/979/
11. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Индукционные плазмотроны серии ВГУ // В сб. «Актуальные проблемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов». М.: Наука, С. 151-177, 2010.
12. Васильевский С.А., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И., Симоненко Е.П., Симоненко Н.П. Экспериментальное и численное исследование теплообмена высокоэнтальпийных потоков воздуха с цилиндрическими моделями из меди и с образцами из керамики на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т.19, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-1/articles/731/
13. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Известия РАН. Механика жидкости и газа. № 6, С. 157-168, 2007.
14. 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. P. 323-328, 2004.