Экспериментальное и численное исследование теплового эффекта катализа на поверхностях металлов и кварца в недорасширенных струях диссоциированного воздуха
Experimental and numerical study of thermal effect of catalysis on the surfaces of metals and quartz in underexpanded jets of dissociated air
The heat transfer from supersonic under-expanded jets of dissociated air to the surface of a 30-mm diameter cylindrical water-cooled model with a rounded edge was experimentally studied by the RF-plasmatron IPG-4 at the RF-generator power of 64 kW and air mass flow rate of 3.6 g/s. Stagnation point heat fluxes were measured by flat calorimetric probes embedded in the nose part of the model. Data were obtained using probes made of different materials: gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), molybdenum (Mo), beryllium (Be), tantalum (Ta), niobium (Nb) and quartz. For the same mode of the RF-plasmatron operation, numerical simulation of the under-expanded jet of chemically nonequilibrium air plasma around the cylindrical model in the framework of the Navier-Stokes and simplified Maxwell equations is performed. Stagnation point heat fluxes at the model are calculated depending on the effective recombination coefficient of atomic components γ in the range 0 ≤ γ ≤1. From the comparison of experimental and calculated heat fluxes, the values of γ for the above materials are determined and the quantitative scale of the catalytic properties of the metals and quartz considered is established. Data on the catalytic properties of metals and quartz are compared with the results obtained earlier in subsonic jets of dissociated air.
RF-plasmatron, dissociated air, under-expanded jet, heat transfer, catalytic recombination of atoms, catalytic properties of metals and quartz
На ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 экспериментально исследован теплообмен сверхзвуковых недорасширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части при мощности ВЧ-генератора 64 кВт, расходе воздуха 3.6 г/с. Для измерения тепловых потоков использовались плоские калориметрические датчики, встроенные в носовую часть модели. Получены данные с помощью датчиков из различных материалов: золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb) и кварца. Для этого же режима работы ВЧ-плазмотрона выполнено численное моделирование обтекания цилиндрической модели недорасширенной струей химически неравновесной воздушной плазмы в рамках уравнений Навье-Стокса и упрощенных уравнений Максвелла для высокочастотного электрического поля. Рассчитаны тепловые потоки в точке торможения модели в зависимости от эффективного коэффициента рекомбинации атомарных компонентов γ в диапазоне 0 ≤ γ ≤1. Из сравнения экспериментальных и рассчитанных тепловых потоков определены значения γ для перечисленных выше материалов и установлена количественная шкала каталитичности рассмотренных металлов и кварца. Данные по каталитичности металлов и кварца сопоставлены с результатами, полученными ранее в дозвуковых струях диссоциированного воздуха.
ВЧ-плазмотрон, диссоциированный воздух, недорасширенная струя, теплообмен, каталитическая рекомбинация атомов, каталитические свойства металлов и кварца
1. Колесников А. Ф., Якушин М. И., Об определении эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов по тепловым потокам к поверхности, обтекаемой диссоциированным воздухом // Математическое моделирование. – 1989. – Т. 1. – № 3. – C. 44–60. 2. Kolesnikov A. F. Combined measurements and computations of high enthalpy and plasma flows for determination of TPM surface catalycity. In: Measurement Techniques for High Enthalpy and Plasma Flows, edited by J.-M. Charbonnier and G.S.R. Sarma, RTO-EN-8, Canada, 2000. 3. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. Методика и результаты экспериментального определения каталитической активности материалов при высоких температурах //Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. – 2003. – №. 5. – С. 178-189. 4. García A., Chazot O., Fletcher D. Investigations in Plasmatron Facilities on Catalicity De-termination //Fourth Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. – 2002. – Т. 487. – С. 489. 5. Егоров И.В., Жестков Б.Е., Шведченко В.В. Определение каталитической активности материалов при высоких температурах в гиперзвуковой трубе ВАТ-104 // Ученые записки ЦАГИ. – 2014. – Т. XLV. - № 1. – С. 3 – 13. 6. 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. – С. 130-142. 7. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ. - В сб. Актуальные проблемы механики: Физико-химическая механика жидкостей и газов. Москва: Наука, 2010. С. 151-177. 8. 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 (1). http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-1/articles/731/ 9. 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, 2004. P. 323-328. 10. Сахаров В.И. Численное моделирование термическии химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. 2007. № 6. С. 157. 11. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. М.: Наука, 1978. Т.1. Кн. 1. 495с; Т.1. Кн. 2. 327 c. 12. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. - 2000. - № 5. - С. 164-173. 13. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Экспериментальное и численное исследование теплообмена высокоэнтальпийных недорасширенных струй воздуха с цилиндрическими моделями // Изв. РАН. МЖГ. 2018. №5. С. 125–133: 14. Жестков Б.Е., Книвель А.Я. Взаимодействие диссоциированного потока азота с металлическими поверхностями // Ученые записки ЦАГИ. – 1979. – Т. X. - № 6. – С. 37-46. 15. Беркут В.Д., Дорошенко В.М., Ковтун В.В., Кудрявцев Н.Н. Неравновесные физико-химические процессы в гиперзвуковой аэродинамике. М.: Энергоатомиздат. 1994. 400 с.
