Investigation of Influence of Model Geometry on Convective Heat Transfer to Cold Catalytic Surface in Supersonic Dissociated Air Flows in HF-Plasmatron


View article
PDF, 3.4 MB


Heat transfer experiments were carried out by 100-kW power RF-plasmatron VGU-4 at IPMech RAS. Heat transfer rates were investigated in underexpanded dissociated air jets using three different cylindrical water-cooled copper 20-mm diameter models with flat nose, spherical nose, and rounded edge combined with flat end. Stagnation point heat fluxes were measured using water-cooled copper calorimeters with flat and spherical front faces. Heat flux measurements were fulfilled in dissociated air jets running out of water-cooled conical nozzles with diameter 40 and 50 mm at the ground pressure 8.5 hPa, mass flow rate 3.6 g/s and RF-generator anode power 64 kW. Distance between stagnation point on model surface and conical nozzle exit was 30 mm. For RF-plasmatron supersonic tests conditions CFD modeling of nonequilibrium dissociated air flow fields around different models were carried out taking into account chemical gas-phase and surface catalytic reactions. Acceptable agreement between experimental data related to copper surface and numerical computations in terms of stagnation point fluxes were achieved at the effective surface atom recombination rate  = 0.1.

RF-plasmatron, supersonic dissociated air flows, heat transfer, CFD modeling, catalytic recombination of atoms

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.3.941


Volume 22, issue 3, 2021 year


ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ МОДЕЛИ НА КОНВЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ К ХОЛОДНОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ В СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЯХ ДИССОЦИИРОВАННОГО ВОЗДУХА В ВЧ-ПЛАЗМОТРОНЕ

Эксперименты по теплообмену проводились на 100-киловаттном высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4. Теплообмен в недорасширенных струях диссоциированного воздуха исследовался на трех медных водоохлаждаемых цилиндрических моделях диаметром 20 мм: с плоским торцом, со сферической носовой частью, со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Тепловые потоки в носовой части моделей измерялись проточными стационарными калориметрами с плоской или сферической тепловоспринимающей поверхностью из меди. Измерения проведены в недорасширенных струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из водоохлаждаемых конических сопел с диаметрами выходных сечений 40 и 50 мм при давлении в затопленном пространстве 8.5 гПа, расходе воздуха 3.6 г/c и мощности ВЧ-генератора плазмотрона по анодному питанию 64 кВт. Расстояние между передней критической точкой модели и срезом сопла во всех экспериментах составляло 30 мм. Для условий экспериментов выполнено численное моделирование обтекания моделей различной геометрии в рамках уравнений Навье-Стокса для многокомпонентного неравновесно диссоциированного воздуха с учетом химических реакций в потоке и на холодной поверхности. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных данных по тепловым потокам в точке торможения при эффективном коэффициенте ге-терогенной рекомбинации  = 0.1.

индукционный ВЧ-плазмотрон, сверхзвуковые струи диссоциированного воздуха, тепловые потоки в точке торможения, численное моделирование, каталитическая рекомбинация атомов.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.3.941


Volume 22, issue 3, 2021 year



1. Gordeev, A. N., Kolesnikov, A. F., Yakushin, M. I., “An Induction Plasma Application to "Buran's" Heat Protection Tiles Ground Tests,” SAMPE Journal, Vol. 28, No. 3, 1992, pp. 29−33.
2. Gordeev, A. N., Kolesnikov, A. F . Visokochastotnii induksionnii plasmotroni serii VGU . Sbornik statei, Aktualnie problemi mekhaniki : Phisiko- khimicheskoia mekhanika zgidkostei I gasov. Moskva Nauka. 2010. pp. 151—177.
3. Kolesnikov, A. F., Gordeev, A. N., Vasil'evskij, S. A., “Modelirovanie nagreva v kriticheskoj tochke i opredelenie kataliticheskoj aktivnosti poverhnosti dlja spuskaemogo apparata «EXPERT»,”Fiziko-himicheskaja kinetika v gazovoj dinamike (Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics),Vol. 9, 2010. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/123/
4. Kolesnikov, A. F., Gordeev, A. N., Vasil'evskij, S. A., “Modelirovanie nagreva v kriticheskoj tochke i opredelenie kataliticheskoj aktivnosti poverhnosti dlja spuskaemogo apparata «EXPERT»,”
Fiziko-himicheskaja kinetika v gazovoj dinamike (Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics), Vol. 9, 2010. ttp://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/123/
5. Zalogin, G. N., Zemljanskij, B. A., Knot'ko, V. B., Murzinov, I. N., Rumynskij, A. N., Kuz'min, L. A., “Vysokochastotnyj plazmotron – ustanovka dlja issledovanij ajerofizicheskih problem s ispol'zovaniem vysokojental'pijnyh gazovyh potokov,” Kosmonavtika i raketostroenie (Space and rocket science), No. 2, 1994, pp. 22−32.
6. Zhestkov, B. E., “Issledovanie termohimicheskoj ustojchivosti teplozashhitnyh materialov,” Uchenye zapiski CAGI, Vol. XLV, No. 5, 2014, pp. 62−77.
7. Chazot, O., Krassilchikoff, H. V., Thomel, J., “TPS Ground Testing in Plasma Wind Tunnel for Catalytic Properties Determination,” 46th AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, AIAA Paper 2008-1252,
Jan. 2008. https://doi.org/10.2514/6.2008-1252
8. Herdrich, G., Auweter-Kurtz, M., Kurtz, H., Laux, T., Winter, M., “Operational Behavior of Inductively Heated Plasma Source IPG-3 for Entry Simulations,” J. Thermophys. Heat Trans., Vol. 16,
No. 3, 2002. https://doi.org/10.2514/2.6698
9.Fletcher D.G., Meyers J.M. Surface Catalyzed Reaction Efficiencies in Oxygen Plasmas from Laser Induced Fluorescence Measurements // J. Thermophys. Heat Trans. 2017. V. 31. No. 2. PP. 410-420. https://doi.org/10.2514/1.T4923
10. Kolesnikov, A. F., Gordeev, A. N., Saharov.V.I. Techeniei teploobmen d cverhzvukovih struyakh vozdushnoy plsmi : Eksperiment na VCH-plasmotrone i chislennoe modelirovanie. Fiziko-himicheskaja kinetika v gazovoj dinamike (Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics),
2008. vol. 7. http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/436/
11. Vasil'evskij, S. A., Kolesnikov, A. F., Saharov V.I. Issledovanie tochnosti modelirovaniya konvektivnogo teploobmena v dozvukovikh struaykh dissotciirovannogo vozdukha na VCH-plasmotrone Fiziko-himicheskaja kinetika v gazovoj dinamike (Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics), 2020.Vol.21. No2. PP .1-13. DOI 10.33257/PhChGD.21.2.905
12. ASTM E422-05(2016). Standard Test Method for Measuring Heat Flux Using a Water-Cooled Calorimeter // ASTM International, West Conshohocken, PA. –– 2016.
13. 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, pp. 323−328.
14. Saharov, V. I., “Chislennoe modelirovanie termicheski i himicheski neravnovesnyh techenij i teploobmena v nedorasshirennyh strujah indukcionnogo plazmotorona,” Izv. RAN MZhG, Vol. 6, 2007,
pp. 157−168.
15. Termodinamicheskie svojstva individual'nyh veshhestv. Spravochnoe izdanie (Thermodynamic properties of individual substances. Reference book), M.: Nauka, Vol. 1, No. 1, 1978, 495 p; Vol. 1,No. 2, 327 p.
16. Ibragimova, L. B., Smehov, G. D., Shatalov, O. P., “Konstanty skorosti dissociacii dvuhatomnyh molekul v termicheski ravnovesnyh uslovijah,” Izv. RAN MZhG, No. 1, 1999, pp. 181−186.
17. Losev, S. A., Makarov, V. N., Pogosbekjan, M. Ju., “Model' fiziko-himicheskoj kinetiki za frontom ochen' sil'noj udarnoj volny v vozduhe,” Izv. RAN MZhG, No. 2, 1995, pp. 169−182. https://doi.org/10.1007/BF02029844
18. Park, C., “Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions, I: Earth Entries,” . Thermophys. Heat Trans., Vol. 7, No. 3, 1993, pp. 385−398. https://doi.org/10.2514/3.431
19. Losev, S. A., Makarov, V. N., Pogosbekyan, M. Ju., Shatalov, O. P., Nikol’sky, V. S., “Thermochemical nonequilibrium kinetic models in strong shock waves on air,” 6th Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, AIAA Paper 1994-1990. June 1994p. https://doi.org/10.2514/6.1994-1990
20. Girshfelder, Dzh., Kertiss, Ch., Berd, R., Molekuljarnaja teorija gazov i zhidkostej (Molecular theory of gases and liquids), M.: Izd-vo inostr. lit., 1961, 929 p.
21. Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Sherwood, T. K., The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, N. Y.: 1977, 688 p.
22. Afonina, N. E., Gromov, V. G., “Thermochemical nonequilibrium computations for a MARS express probe,” Proc. 3rd Europ. Symp. Aerothermodynam. Space Vehicles, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1998, pp. 179−186.
23. Gordeev, O. A., Kalinin, A. P., Komov, A. L., Ljusternik, V. E., Samujlov, E. V. Obzory po teplofizicheskim svojstvam veshhestv (Reviews of the thermophysical properties of substances), TFC-M:
IVTAN, No. 5 (55), 1985, 100 p.
24.Bottin B., Chazot O., Carbonaro M., Van der Haegen V., Paris S. The VKI plasmatron characteristics and performance: tech. rep. / Von Karman Institute For Fluid Dynamics. Rhode-Saint-Genese (Belgium), 2000. P. 1––27.