Теплообмен в недорасширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент на индукционном плазмотроне и экстраполяция на условия входа в атмосферу Марса


Просмотр статьи
PDF, 723,0 КБ

Heat transfer in under-expanded nonequilibrium carbon dioxide jets: experiment on rf-plasmatron and extrapolation to Mars entry conditions

Results of experimental and numerical study of convective heat transfer to a 10 mm radius water-cooled cylindrical model with a flat face in supersonic under-expanded dissociated carbon dioxide jets at 100-kW RF-plasmatron IPG-4 test conditions are presented. Free stream parameters in plasmatron jets are recalculated to sphere entry conditions in Martian atmosphere and CFD modeling nonequilibrium flow fields and heat transfer for IPG-4 tests and hypersonic flight are performed. Characteristics of heat transfer, which are similar in supersonic plasmatron tests and hypersonic flight, are found.

inductive plasmotron, nonequilibrium plasma, CO₂, numerical simulation, experiment

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Владимир Игоревич Сахаров

Том 15, выпуск 4, 2014 год



Представлены результаты экспериментального и численного исследования конвективного теплообмена на цилиндрической модели с плоским торцом радиуса 10 мм в недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа при рабочих параметрах 100-киловаттного ВЧ-плазмотрона. На основе концепции локального моделирования теплообмена параметры сверхзвукового обтекания модели в плазмотроне пересчитаны на условия входа сферы в атмосферу Марса с гиперзвуковой скоростью. Определены характеристики теплообмена, которые подобны в эксперименте и полете.

индукционный плазмотрон, недорасширенная струя, химическая неравновесность, плазма СО2, теплообмен, высокочастотное электромагнитное поле, эксперимент, численное моделирование, уравнения Навье-Стокса, условия локального подобия теплообмена

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Владимир Игоревич Сахаров

Том 15, выпуск 4, 2014 год



1. Афонина Н.Е., Васильевский С.А., Громов В.Г., Колесников А.Ф., Першин И.С., Саха-ров 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.
2. 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.
3. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН, МЖГ, 2011, № 4, С. 130 – 142.
4. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Экспериментальное моделирование теплообмена в ВЧ-плазмотроне с удлиненным секционированным разрядным каналом // Изв. РАН, МЖГ, 2010, № 3, С. 18-191.
5. 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.
6. Колесников А.Ф. Условия локального подобия термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с неразрушаемой поверхностью // ТВТ, 2014, Т. 52, № 1, С. 118-125.
7. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ. Сб. Актуальные проблемы механики: Физико-химическая механика жидкостей и газов. Москва, Наука, 2010, С. 151-177.
8. Колесников А.Ф., Якушин М.И. Об определении эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов по тепловым потокам к поверхности, обтекаемой диссоциированным воздухом // Мат. Моделирование, 1989, Т. 1, № 3, С. 44-60.
9. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Новые режимы течения и теплообмена плазмы в высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 // Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» АФМ-2007. Сб. научн. трудов. Москва, ИПМех РАН, 2007, С. 130-136.
10. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А. Экспериментальное исследование теплового эффекта катализа на кварце и металлах в потоке диссоциированного углекислого газа. Москва, ИПМех РАН, Препринт № 1028¸2012, 40 с.
11. 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.
12. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. М.: Наука, 1978, Т.1, Кн. 1, 495с.; Т.1, Кн. 2, 327 с.
13. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976, 400 с.
14. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Изв. РАН, МЖГ, 2000, № 5, С. 164-173.
15. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двухатомных молекул в термически равновесных условиях // Изв. РАН, МЖГ, 1999, №1, С. 181-186.
16. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Изв. РАН, МЖГ, 1995, №2, С. 169-182.
17. Park C., Howe J.T., Jaffe R.L. and Candler G.V. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions, II: Mars Entries // J. Thermophys and Heat Transfer, 1993, V.7, No.3, P. 385-398.
18. 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 // AIAA Paper. 1990. № 1994. 13p.
19. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с.
20. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p.
21. 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, ESA SP-426, 1999, P. 179-186.
22. Гордеев О.А., Калинин А.П., Комов А.Л., Люстерник В.Е., Самуйлов Е.В. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. ТФЦ-М: ИВТАН, 1985. № 5 (55). 100 с.
23. Колесников А.Ф., Щелин В.С. Численный анализ точности моделирования гиперзвукового теплообмена в дозвуковых струях диссоциированного азота // Изв. АН СССР, МЖГ, 1990, №2, С. 135-143.
24. Kolesnikov A.F. The Concept of Local Simulation for Stagnation Point Heat Transfer in Hypersonic Flows: Applications and Validation. AIAA 20002515, 2000.
25. Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М.: Машиностроение, 1975, 328 с.
26. Колесников А.Ф., Якушин М.И. Условия моделирования конвективного теплообмена тел с гиперзвуковыми потоками на индукционных плазмотронах // ТВТ, 1988, Т. 26. № 4. С. 742-750.
27. Kolesnikov A.F., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A., Yakushin M.I. Study of Quartz Surface Catalycity in Dissociated Carbon Dioxide Subsonic Flows // J. Spacecraft and Rockets, 2000, V. 37, No. 5, Pp. 573-579.
28. Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный теплообмен космического аппарата сферической формы в углекислом газе // ТВТ, 2011, Т. 49, № 1, С. 92-107.