Экспериментальное и численное исследование теплообмена высокоэнтальпийных потоков воздуха с цилиндрическими моделями из меди и с образцами из керамики на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4



Experimental and numerical study of heat transfer to cylindrical copper models and HfB2-SiC ceramic samples in high-enthalpy air jets using RF-plasmatron IPG-4

Heat transfer tests in high-enthalpy supersonic under-expanded air jets were performed using RF-plasmatron IPG-4. Stagnation point heat fluxes to water-cooled copper surface were measured along jet axes using 30-mm diameter models with different nose geometry: flat, hemi-spherical and hemi-spherical combined with flat stagnation point area. At the same test regimes stagnation pressures were measured using Pitot probe. The behaviour of the two ultrahigh-temperature HfB2-SiC ceramic samples prepared in Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry was studied in sub- and supersonic dissociated air jets through step-by-step heating in IPG-4 RF-plasmatron.

RF-plasma torch, dissociated air, heat transfer, ultrahigh-temperature ceramic material HfB2-SiC

Сергей Александрович Васильевский, Андрей Николаевич Гордеев, Анатолий Федорович Колесников, Владимир Игоревич Сахаров, Елизовета Петровна Симоненко, Николай Петрович Симоненко

Том 19, выпуск 1, 2018 год



На индукционном плазмотроне ВГУ-4 проведены эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха при давлении в барокамере 8.5 гПа. При расходе газа 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт вдоль оси струй диссоциированного воздуха измерены тепловые потоки к поверхности меди в критической точке водоохлаждаемых цилиндрических моделей диаметром 30 мм с плоским торцом а также со скругленным носком и плоским притуплением полусферическим носком,. В этих же режимах измерены давления торможения с помощью трубок Пито, имеющих форму цилиндра диаметром 30 мм с плоским торцом и с полусферическим притуплением и приёмные отверстия диаметром 14 и 5 мм. В дозвуковых и сверхзвуковых потоках диссоциированного воздуха индукци-онного плазмотрона ВГУ-4 изучено поведение двух изготовленных в ИОНХ имени Н.С. Курнакова РАН образцов ультравысокотемпературного керамического материала HfB2-SiC в условиях ступенчатого нагрева.

ВЧ-плазмотрон, диссоциированный воздух, теплообмен, тепловой поток, ультравысокотемпературный керамический материал HfB2-SiC

Сергей Александрович Васильевский, Андрей Николаевич Гордеев, Анатолий Федорович Колесников, Владимир Игоревич Сахаров, Елизовета Петровна Симоненко, Николай Петрович Симоненко

Том 19, выпуск 1, 2018 год



1. Park C., Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics, Wiley, New York, 1990.
2. Kolesnikov A.F. The Aerothermodynamic Simulation in Sub- and Supersonic High-Enthalpy Jets: Experiment and Theory. // Proc. 2nd European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. ESA Publication Division, European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands. ESA SP-367, 1995. pp. 583-590.
3. 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.
4. Kolesnikov A.F. The Concept of Local Simulation for Stagnation Point Heat Transfer in Hypersonic Flows: Application and Validation. AIAA Paper 2000-2515, 2000.
5. Колесников А.Ф. Условия локального подобия термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с неразрушаемой поверхностью // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 1. С. 118-125.
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 // Изв. РАН. МЖГ. 2002. № 5. С. 156-168.
7. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Сахаров В.И. Течение и теплооб-мен 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 теплооб-мен 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 недо-расширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент на индукционном плазмотроне численное моделирование и экстра-поляция на условия входа в атмосферу Марса. Электронный журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике». http://www.chemphys.edu.ru, 2014. Т. 15. Вып. 4. 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. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2007. № 6. С. 157-168.
12. 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.
13. Кузнецов Н.Т., Севастьянов., В.Г., Симоненко Е.П., Симоненко Н.П. Способ получения ультравысокотемпературного керамического композита МB2-SiC, где М = Zr, Hf // Патент RU 2618567 от 04.05.2017
14. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Papynov E.K., Gridasova E.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Production of HfB2–SiC (10–65 vol % SiC) Ultra-High-Temperature Ceramics by Hot Pressing of HfB2–(SiO2–C) Composite Powder Synthesized by the Sol–Gel Method // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2018. v. 63. № 1. P. 1–15. DOI: 10.1134/S0036023618010187.
15. Simonenko E.P., Gordeev A.N., Simonenko N.P., Vasilevskii S.A., Kolesnikov A.F., Papynov E.K., Shichalin O.O., Avramenko V.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Behavior of HfB2-SiC (10, 15, and 20 vol %) Ceramic Materials in High-Enthalpy Air Flows // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2016. v. 61. № 10. P. 1203–1218. DOI: 10.1134/S003602361610017X
16. Sevastyanov V.G., Simonenko E.P., Gordeev A.N., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Papynov E.K., Shichalin O.O., Avramenko V.A., Kuznetsov N.T. Behavior of a Sample of the Ceramic Material HfB2–SiC (45 vol %) in the Flow of Dissociated Air and the Analysis of the Emission Spectrum of the Boundary Layer above Its Surface // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2015. v. 60. № 11. P. 1360–1373. DOI: 10.1134/S0036023615110133
17. Sevastyanov V.G., Simonenko E.P., Gordeev A.N., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Papynov E.K., Shichalin O.O., Avramenko V.A., Kuznetsov N.T. HfB2-SiC (10–20 vol %) Ceramic Materials: Manufacture and Behavior under Long-Term Exposure to Dissociated Air Streams // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. v. 59. № 12. P. 1361–1382, DOI: 10.1134/S0036023614120250
18. Sevast’yanov V.G., Simonenko E.P., Gordeev A.N., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Papynov E.K., Shichalin O.O., Avramenko V.A., Kuznetsov N.T. Production of Ultrahigh Temperature Composite Materials HfB2–SiC and the Study of Their Behavior under the Action of a Dissociated Air Flow // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2013. v. 58. № 11. P. 1269–1276, DOI: 10.1134/S003602361311017X
19. Marschall J., Pejaković D. A., Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Panerai F., Chazot O. Temperature Jump Phenomenon During Plasmatron Testing of ZrB2-SiC at Ultrahigh-Temperature. // Journal of Thermophysics and Heat-Transfer.Vol. 26, No. 4, October–December 2012
20. V.G. Sevastyanov, E.P. Simonenko, A.N. Gordeev, N.P. Simonenko, A.F. Kolesnikov, E.K. Papynov, O.O. Shichalin, V.A. Avramenko, N.T. Kuznetsov HfB2-SiC (45 vol %) Ceramic Material: Manufacture and Behavior under Long-Term Exposure to Dissociated Air Jet Flow // Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2014, Vol. 59, No. 11, pp. 1298–1311, DOI: 10.1134/S0036023614110217