Численное моделирование течения различных плазмообразующих газов в тракте ВЧ плазмотрона


Просмотр статьи
PDF, 1,8 МБ

Numerical modeling of flows of different plasma constituting gases in RF-plasmatron facility

Numerical results of plasma flow parameter studies a represented in the paper for a high temperature facility with inductively coupled 1 MWt power plasmatorch (RF-plasmatron) operating with different work gases. Argon, nitrogen, air and carbon dioxide/nitrogen mixture (corresponding to Martian atmosphere) were chosen for the study. Modelling the problem of discharge chamber flow was based on mutual consideration of Navier-Stokes and Maxwell equations at given mass flow rates (G = 5-30 g/s) over pressure range of р = 10÷200 mbar and delivered power (energy supply) of N = 50÷300 kWt. Values of parameters at the discharge chamber exit (Fig. 1) were used then for computation of flow in the work chamber and around test models and probes (Fig. 2). Gas mixture model saccounting for nonequilibrium thermochemical processes were utilized under solution of the problems. Developed soft ware is used for both plasma flow diagnostics and interpretation of tests on heat transfer, specification of thermal stability and catalicity of heat shield materials.

RF-plasmatron, discharge chamber, nonequilibrium gas flow

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.4.775


Том 19, выпуск 4, 2018 год



В работе представлены результаты численных исследований параметров плазменных потоков в высокотемпературной установке с высокочастотным индукционным плазмотроном (ВЧ плазмотроном) мощностью 1 МВт при работе на различных плазмообразующих газах. В качестве таких газов были выбраны: аргон, азот, воздух смесь углекислого газа с азотом (смесь, соответствующая атмосфере Марса). Решение задачи о течении газа в разрядной камере ВЧ плазмотрона основано на совместном рассмотрении уравнений Навье-Стокса и Максвелла при заданных расходах газа G = 5-30 г/с, в диапазоне давлений р = 10÷200 гПа, и потребляемой мощности (энерговклада) N = 50÷300 кВт. Значения параметров на выходе из разрядной камеры (рис.1) используются для расчета течения газа в рабочей камере установки и обтекании моделей и зондов (рис.2). При решении задач используются модели газовых смесей, учитывающие неравновесное протекание физико-химических процессов. Разработанный программный комплекс используется при проведении диагностики плазменных струй и при интерпретации результатов экспериментов по теплообмену, определению термостойкости и каталитичности материалов тепловой защиты.

ВЧ плазмотрон, разрядная камера, неравновесный газовый поток

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.4.775


Том 19, выпуск 4, 2018 год



1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to «Buran» Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPLE Journal. 1992. V. 28, No. 3, pp. 29‒33.
2. 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.
3. Жестков Б.Е., Исследование термохимической устойчивости теплозащитных материалов // Учёные записки ЦАГИ, 2014, т. XLV, №5.С.62‒77.
4. Низкотемпературная плазма, том 6. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны. Под ред. С.В. Дресвина и В.Д. Русанова. ‒Новосибирск: «Наука. Сибирское отделение». 1992, 317 с.
5. Boulos M.I., Cagne R., Barnes R.M. Effect of swirl and confinement of the flow and temperature field in an inductively coupled RF Plasma // Canadian J. Chem. Eng. 1980. V.58, No.3, pp.367‒375.
6. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Изв. АН СССР. МЖГ. ‒2000. №5. С. 164‒173.
7. Власов В.И. Теоретические исследования течения высокотемпературного газа в разрядной и рабочей камерах ВЧ-плазмотрона // Космонавтика и ракетостроение. ‒ 2001. № 23. С.18‒26.
8. Сёмин В.А. К теории неравновесного индукционного высокочастотного разряда в потоке газа // Изв. АН СССР. МЖГ. ‒1991. №2. С.153‒160.
9. Boulos M.I. The inductively coupled radio-frequency plasma // Pure and Applied Chemistry. 1985. V.57, No. 9, pp.1321‒1352.
10. Abele D.V., Degres G. Numerical of high-pressure air inductive plasmas under thermal and chemical non-equilibrium // AIAA Paper, No.2000-2416, 2000.
11. Власов В.И. Численное моделирование неравновесного течения в разрядной камере ВЧ-плазмотрона // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. Тезисы докладов международной конф. ЦАГИ. 2004.
12. Lenzner S., Auweter-Kurtz M., Heiermann J., Sleziona P.C. Energy Partitions in Inductively Heated Plasma Sources for Reentry Simulations //Journal of Thermophysics and Heat Transfer, v.14, no.3, 2000, pp.388‒395.
13. Sumi T., Fujita K., Ito T., Kurotaki T. Experimental evaluation of inductively coupled plasma flow analysis code // AIAA Paper 2005-175, 2005.
14. Tanaka Y. Two-temperature chemically non-equilibrium modeling of high-power Ar-N2 inductively coupled plasmas at atmospheric pressure // Journal of Physics D: Applied Physics, v.37, 2004, pp.1190‒1205.
15. Atsuchi N., Shigeta M., Watanabe T. Modeling of non-equilibrium argon–oxygen induction plasmas under atmospheric pressure // International Journal of Heat and Mass Transfer, v.49, 2006, pp.1073‒1082.
16. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. 2007. № 6. С.157‒168.
17. Башкин В.А., Егоров И.В., Жестков Б.Е., Шведченко В.В. Численное исследование поля течения и теплообмена в тракте высокотемпературной аэродинамической установки // ТВТ, 2008, т.46, №5, С.771‒783.
18. Василевский Э.Б., Жестков Б.Е., Сахаров В.И. Численное моделирование и эксперимент на индукционном плазмотроне АДТ ВАТ-104 // Ученые записки ЦАГИ, 2016, т. XLVII, №5, С.3‒13.
19. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. – 3-е изд. перераб. и доп., Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. 736 с.
20. ЛандауЛ.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука. 1982, 620 c.
21. Власов В.И., Залогин Г.Н., Рудин Н.Ф. Экспериментальное определение энергетических параметров плазменного потока в установке с высокочастотным нагревом газа // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. V.17 (2). http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-2/articles/651/
22. Землянский Б.А., Лунёв В.В., Власов В.И. и др. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. Под редакцией Б.А. Землянского. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2014, 380 с.
23. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 224с.
24. Брылкин Ю.В., Власов В.И., Залогин Г.Н., Кусов А.Л., Рудин Н.Ф.Экспериментальные исследования влияния структуры поверхности материалов на их каталитическую активность // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Том 17, вып. 1. hppt://www.chemphys. edu.ru/pdf/2016-17-01-004.pdf
25. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Корреляция условий теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа и при гиперзвуковом обтекании сферы в марсианской атмосфере // Известия РАН. МЖГ, 2015, № 4.С. 131‒138.
26. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Подобие теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при обтекании сферы высокоскоростным потоком в земной атмосфере // Известия РАН. МЖГ, 2016, № 3. С. 110‒116.
27. Власов В.И., Залогин Г.Н., Ковалёв Р.В., Рудин Н.Ф. Физико-химическая модель смеси СО2+N2 при высоких температурах //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т.19, вып.3. http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-3/articles/774/