Течение и теплообмен в сверхзвуковых струях воздушной плазмы: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование.


Просмотр статьи
PDF, 425,3 КБ

Fow field and heat transfer in supersonic air plasma jets: experiment on rf-plasmatron and cfd modeling

The results of experimental and numerical study of the flow field and heat transfer in under-expanded air plasma jets
in the wide domain of the characteristic parameters are presented. The experiments have been performed by the 100-
kW RF-plasmatron equiped with a 80-mm diameter plasma torch and the sonic nozzles with the exit sections of 30
and 40 mm diameter. The digital photographs of the flow patterns for different location of the 20-mm diametr cylindrical
water-cooled model with a flat nose in under-expanded air plasma jets are done. The stagnation point heat flux
to a cold copper surface and stagnation pressure along jet axis are measured for different values of the air mass flow
rate through the plasma torch, energy input in plasma, diameter of the sonic nozzle exit and ground pressure in the
test chamber. For the RF-plasmatron test conditions the numerical computations of the flow field of 11-species
chemically reacting partially ionized air mixture in the plasma torch and under-expanded jets over the cylindrical test
model. Numerical technique is based on the complex of the computer codes for the numerical solution of the Navier-
Stokes equations for the azimuthally swirling flow and special code-generators wich interact with tha data bases for
the thermodynamic and transport properties of the specific gas components. The one-temperature (T = TV = Te)
chemically nonequilibrium model and three-temperature (T ≠ TV ≠ Te) chemically and thermally nonequilibrium
models have been used. Detailed comparison and an analysis of the experimental data and numerical results for the
flow patterns around the cylindrical model with a flat nose, distributions of the stagnation point heat flux and pressure
along the air jet axis are curried out. In the first supersonic “barrel” the data of the stagnation point heat flux to
cold copper surface and stagnation pressure are found to be in good agreement with the numerical results obtained
using both thermally equilibrium and nonequilibrium thermochemical models. Some thermally nonequilibrium effects
are observed in the numerical results for the flow field down stream of the first “barrel. In this part of the flow
the three-temperature model appeares to be in better agreement with the experimental data then the one-temperature
model.

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Владимир Игоревич Сахаров

Том 7, 2008 год



Представлены результаты экспериментального и численного исследования течения и теплообмена в недо-
расширенных струях воздушной плазмы в широкой области определяющих параметров. Эксперименты вы-
полнены на 100-киловаттном индукционном ВЧ-плазмотроне, имеющим разрядный канал диаметром 80 мм,
с использованием звуковых сопел с диаметром выходного сечения 30 и 40 мм. Исследовано стационарное
осесимметричное обтекание и теплообмен в критической точке цилиндрической водоохлаждаемой модели с
плоским торцевым затуплением диаметром 20 мм. Получены цифровые фотографии обтекания для различно-
го расположения модели в недорасширенных струях воздушной плазмы. Измерены тепловые потоки к охла-
ждаемой медной поверхности и давление торможения в критической точке модели вдоль оси струи для раз-
личных значений расхода воздуха в разрядном канале плазмотрона, энерговклада в разряд, диаметра выход-
ного сечения сопла и давления в барокамере. Для условий экспериментов проведены численные расчеты
течений 11-компонентной химически реагирующей частично ионизованной воздушной смеси в разрядном
канале плазмотрона и в недорасширенных струях, обтекающих цилиндрическую модель. Технология расчетов основана на комплексе программ численного интегрирования уравнений Навье − Стокса для азимутально
закрученного потока и специальных программ-генераторов, взаимодействующих с базами данных по термо-динамическим и переносным свойствам индивидуальных газовых веществ. Использованы однотемпературная (T = TV = Te) химически неравновесная модель и трехтемпературная (T ≠ TV ≠ Te) химически и термически
неравновесная модель. Проведены детальное сравнение и анализ экспериментальных и расчетных данных по
картинам обтекания цилиндрической модели с плоским торцевым затуплением, распределениям тепловых
потоков и давления торможения в критической точке модели вдоль оси недорасширенных струй. Хорошее
соответствие экспериментальных данных и численных результатов имеет место в первой сверхзвуковой
«бочке» для обоих расчетных термохимических моделей. Некоторое влияние термохимической неравновесности на тепловые потоки и давление торможения обнаружены в расчетах вниз по потоку за первой «бочкой». Здесь лучшее согласие с экспериментом дает трехтемпературная модель.

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Владимир Игоревич Сахаров

Том 7, 2008 год



1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Kononov S.V. Comparative Characterization of the IPG-4 Inductive Plasmatron in Subsonic and Supersonic Regimes of Air Plasma Flows // Proc. Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research. Novosibirsk, Russia. Publishing House "Nonparel". 2004. Part I. pp. 106−111.
2. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэнтальпийного потока к критической точке затупленного тела // МЖГ. № 1. 1993. С. 172−180.
3. Баронец П.Н., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Мысова В.М., Першин И.С., Прилепский В.Н., Рулёв Ю.К., Труханов А.С., Якушин М.И. Отработка теплозащитных материалов орбитального корабля «Буран» на индукционных плазмотронах // В сб. "Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации", 1990, 1991. М.: Наука, 1991. С. 41−52.
4. Колесников А.Ф., Якушин М.И. Об определении эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов по тепловым потокам к поверхности, обтекаемой диссоциированным воздухом // Мат. моделирование. Т. 1. № 3. 1989. С. 44−60.
5. Быкова Н.Г., Васильевский С.А., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Першин И.С., Якушин М.И. Определение эффективных вероятностей каталитических реакций на поверхностях теплозащитных материалов в потоках диссоциированного углекислого газа // МЖГ. № 6. 1997. С.144−157.
6. Афонина Н.Е., Васильевский С.А., Громов В.Г., Колесников А.Ф., Першин И.С., Сахаров В.И., Якушин М.И. Течение и теплообмен в недорасширенных струях воздуха, истекающих из звукового сопла плазмотрона // МЖГ. № 5. 2002. С. 156−168.
7. Afonina N.E., Gromov V.G., Sakharov V.I. HIGHTEMP technique for High Temperature Gas Flows Simulations // Proc. 5th Europ. Sympoышгь on Aerothermodynamics for Spase Vehicles. Cologne, Germany. SP 563. 2005. pp. 323−328.
8. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // МЖГ. № 5. 2000. С. 164−173.
9. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // МЖГ. № 6. 2007. ( в печати).
10. Сахаров В.И. Численное моделирование течений в индукционном плазмотроне и теплообмена в недорасширенных струях воздуха для условий экспериментов на установке ВГУ-4 (ИПМех РАН) // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. Том 5. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2007-05-03-001.pdf
11. Barbato M., Reggian S., Bruno C., Muylaert J. Model for Heterogeneous Catalysis on Metal Surfaces with Applications to Hypersonic Flows // J. Thermophysics and Heat Transfer. V. 14. No. 3. 2000. pp. 412−420.