Экспериментальное исследование теплообмена поверхностей металлов и кварца с недорасширенными струями диссоциированного азота в ВЧ-плазмотроне



Experimental study of heat transfer to metals and quartz surfaces in underexpanded dissiciated nitrogen jets in RF-plasmatron

Stagnation pressures in underexpanded high-enthalpy nitrogen jets, produced by the RF-plasmatron IPG-4 at gas mass flow rates 2.4 and 3.6 g/s, RF-generator powers 45 and 64 kW, and ground pressure 10.4 hPa are measured. At the same test conditions stagnation point heat fluxes to water-cooled copper, stainless steel and quartz are measured using a 20-mm diameter cylindrical model with a flat nose. Catalytic heating effect with respect to N atoms recombina-tion is demonstrated, and qualitative catalytic scale for above materials is established. Com-plex shock wave structures in flow field around cylindrical model with a flat nose are registered.

RF-plasmatron, dissociated nitrogen, underexpanded jet, heat transfer, catalytic recombination.

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, А. Н. Конов, И. В. Лукомский, В. М. Мысова, Ю. К. Рулев

Том 16, выпуск 2, 2015 год



На индукционном плазмотроне ВГУ-4 при расходах газа 2.4, 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт измерены давления торможения в недорасширенных сверхзвуко-вых струях высокоэнтальпийного азота при давлении в барокамере 10.4 гПа. В этих же режимах измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диа-метром 20 мм. Продемонстрирован эффект влияния каталитичности поверхности по от-ношению к рекомбинации атомов азота на тепловой поток, установлена качественная шкала каталитичности исследованных материалов. Зарегистрированы сложные ударно-волновые структуры, возникающие при обтекании недорасширенной сверхзвуковой струёй высокоэнтальпийного азота водоохлажадемой цилиндрической модели с пло-ским торцом.

ВЧ-плазмотрон, диссоциированный азот, недорасширенная струя, теплообмен, каталитическая рекомбинация

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, А. Н. Конов, И. В. Лукомский, В. М. Мысова, Ю. К. Рулев

Том 16, выпуск 2, 2015 год



1. Kolesnikov A.F. The Aerothermodynamic Simulation in Sub- and Supersonic High-Enthalpy Jets: Experiment and Theory. // Proc. 2nd European Symposium on Aerothermodynamics for Space Ve-hicles. ESA Publication Division, European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands. ESA SP-367, 1995. pp. 583-590.
2. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэнтальпийного потока к критической точке затупленного тела // Изв. РАН. МЖГ. 1993. № 1. С. 172-180.
3. Kolesnikov A.F. The Concept of Local Simulation for Stagnation Point Heat Transfer in Hyper-sonic Flows: Application and Validation. AIAA Paper 2000-2515, 2000.
4. Колесников А.Ф. Условия локального подобия термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с неразрушаемой поверхностью // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 1. С. 118-125.
5. Park C., Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics, Wiley, New York, 1990.
6. Васильевский С.А., Колесников А.Ф., Якушин М.И. Определение эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов в условиях влияния на тепловой поток газофазных реакций // Теплофизика высоких температур. 1991. Т. 29. № 3. С. 521-529.
7. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в сверхзвуковых струях воздушной плазмы: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование. Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем». АФМ-2007. Сборник научных трудов. Москва, ИПМех РАН, 2007. С. 23-28.
8. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Известия РАН, Механика жидкости и газа. 2011, № 4. Изд-во «Наука». Москва. С. 130 – 142.
9. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Сахаров В.И. Теплообмен в недорасширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент на индукционном плазмотроне численное моделирование и экстраполяция на условия входа в атмосферу Марса. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15, вып. 4. 18 c. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-4/articles/238/
10. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент и численное моделирование // Теплофизика высоких температур. 2015, т. 53, № 2, с. 284-290.
11. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Индукционные плазмотроны серии ВГУ. В сб.: Актуальные проблемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов. М., Наука, 2010. с.151-177.