Теплообмен в неравновесных струях диссоциированного азота: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

Heat Transfer in Nonequilibrium Dissociated Nitrogen Jets: Experiments in RF-plasmatron and Numerical Modeling

Experimental and numerical investigations of heat transfer from dissociated nitrogen jet flow to cylindrical flat face water cooling model are presented. Experiments are made in IPG-4 in-duction plasmatron in IPMech RAS for both supersonic and subsonic jet flow conditions at anode power Nap=35 - 65 kW. Stagnation pressure and heat flux to model stagnation point are measured for different materials: copper, stainless steel, nickel, graphite, quartz. Different heating effect due to different surface recombination rates for different materials is demon-strated; qualitative catalytic scale for the tested materials is established. CFD modeling of su-personic underexpanded nonequilibrium jet flow over the model is made for experimental conditions by the codes developed in IM MSU. CFD modeling of subsonic jet flow is made by the codes developed in IPM RAS. Comparison of experimental data and computation results is presented. Estimation of effective recombination coefficient for the tested materials is made on the basis of matching the measured and calculated heat flux values.

RF-plasmatron, dissociated nitrogen, underexpanded jet, subsonic jet, heat transfer, nitrogen atoms catalytic recombination

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Сергей Александрович Васильевский, Владимир Игоревич Сахаров

Том 17, выпуск 2, 2016 год



На индукционном плазмотроне ВГУ-4 проведены эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного азота при давлении в барокамере 10.4 гПа. При расходах газа 2.4, 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм. В этих же режимах измерены давления торможения. Проведены также эксперименты в дозвуковых струях диссоциированного азота, измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали, графита и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, а также скоростные напоры при давлении в барокамере 50 гПа и мощности ВЧ-генератора 35 – 65 кВт. В экспериментах на сверхзвуковых и дозвуковых струях продемонстрирован эффект влияния каталитичности поверхности по отношению к рекомбинации атомов азота на тепловой поток, установлена качественная шкала каталитичности исследованных материалов. Для условий экспериментов в сверхзвуковых и дозвуковых режимах двумя различными численными методами выполнено моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания цилиндрической модели. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных по давлениям торможения и тепловым потокам к охлаждаемым поверхностям металлов, графита и кварца. Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных по тепловым потокам установлена количественная шкала каталитичности исследованных материалов по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов азота.

ВЧ-плазмотрон, диссоциированный азот, недорасширенная струя, дозвуковая струя, теплообмен, каталитическая рекомбинация атомов азота

Анатолий Федорович Колесников, Андрей Николаевич Гордеев, Сергей Александрович Васильевский, Владимир Игоревич Сахаров

Том 17, выпуск 2, 2016 год



1. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в сверхзвуковых струях воздушной плазмы: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование. Всероссий-ская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем». АФМ-2007. Сборник научных трудов. Москва, ИПМех РАН, 2007. С. 23-28.
2. 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. Изд-во «Наука». Москва. С. 130 – 142.
3. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Сахаров В.И. Теплообмен в недорасширенных неравновес-ных струях углекислого газа: эксперимент на индукционном плазмотроне численное модели-рование и экстраполяция на условия входа в атмосферу Марса // 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/
4. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных не-равновесных струях углекислого газа: эксперимент и численное моделирование // Теплофизи-ка высоких температур. 2015. Т. 53. № 2. С. 284-290.
5. Колесников А. Ф., Гордеев А. Н., Конов А. Н., Лукомский И. В., Мысова В. М., Рулев Ю. К. Экспериментальное исследование теплообмена поверхностей металлов и кварца с недорасши-ренными струями диссоциированного азота в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т.16. вып. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-2/articles/537/
6. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Индукционные плазмотроны серии ВГУ // Актуальные про-блемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов. М., Наука, 2010. С.151-177.
7. Васильевский С.А., Колесников А.Ф., Якушин М.И. Определение эффективных вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов в условиях влияния на тепловой поток газофазных реак-ций // Теплофизика высоких температур. 1991. Т. 29. № 3. С. 521-529.
8. 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.
9. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / ред. В.П.Глушко. М.: Наука, 1978. Т.1. Кн. 1. 495с; Т.1. Кн. 2. 327с.
10. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я. и др. Численное решение многомерных задач газо-вой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.
11. 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.
12. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. 2007. № 6. С. 157.
13. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индук-ционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. 2000. № 5. С. 164-173.
14. 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.
15. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фрон-том очень сильной ударной волны в воздухе // Изв. РАН. МЖГ. 1995. №2. С. 169-182.
16. Park C. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missons, Earth Entries // J. Thermophys and Heat Transfer. 1993. V.7. No.3. P. 385-398.
17. 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.
18. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с.
19. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p.
20. Afonina N.E.,Gromov V.G. Thermochemical nonequilibrium computations for a MARS express probe // Proc. 3rd Europ. Symp. Aerothermodynam. Space Vehicles, ESTEC, Noordwijk, The Netherland. 1998. P. 179-186.
21. Гордеев О.А., Калинин А.П., Комов А.Л., Люстерник В.Е., Самуйлов Е.В., Соколова И.А., Фо-кин Л.Р. Потенциалы взаимодействия, упругие сечения, интегралы столкновений компонен-тов воздуха для температур до 20000 К. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ / ТФЦ. Москва, ИВТАН. 1985. №5 (55). 100 С.
22. 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, Noordwijk, The Netherlands. ESA SP-367. 1995. pp. 583-590.
23. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэн-тальпийного потока к критической точке затупленного тела // Изв. РАН. МЖГ. 1993. № 1. С. 172-180.
24. Kolesnikov A.F. The Concept of Local Simulation for Stagnation Point Heat Transfer in Hypersonic Flows: Application and Validation. AIAA Paper 2000-2515, 2000.
25. Колесников А.Ф. Условия локального подобия термохимического взаимодействия высокоэн-тальпийных потоков газов с неразрушаемой поверхностью // Теплофизика высоких темпера-тур. 2014. Т. 52. № 1. С. 118-125.
26. Kolesnikov A.F., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A., Yakushin M.I. Study of Quartz Sirface Catalycity in Dissociated Carbon Dioxide Subsonic Flows // J. Spacecraft and Rockets. 2000. Vol.37. No.5. pp.573 – 579.
27. Vasil’evskii S.A., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. Mathematical Models for Plasma and Gas Flows in Induction Plasmatrons // Molecular Physics and Hypersonic Flows. Ed. M. Capitelli. NATO ASI Series, Kluwer. 1996. Vol.482, pp.495-504.
28. Kolesnikov A.F., Pershin I.S., Vasil’evskii S.A. Predicting Catalycity of Si-Based Coating and Stagnation Point Heat Transfer in High-Enthalpy CO2 Subsonic Flows for the Mars Entry Conditions // Proc. Int. Workshop ‘Planetary Probe Atmospheric Entry and Descent Trajectory Analysis and Science’. Ed. A. Wilson. ESA Publication Division, ESA SP-544. 2004. pp.77-83.
29. Kolesnikov A., Gordeev A., Vasil’evskii S., Vérant J.L. Technical Approach and Validation of Reentry Heating Simulation for the Pre-X and EXPERT Vehicles Using the IPG-4 Plasmatron // Proc. EUCASS (CD-ROM). Moscow, Russia. 2005.
30. Kolesnikov A., Gordeev A., Vasil’evskii S., Vérant J.L. Predicting Catalytic Properties of SiC Material for the Pre-X Vehicle Re-Entry Conditions // Proc. 2nd EUCASS European Conference for Aero-Space Sciences (CD-ROM). Brussels, Belgium, 2007.
31. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное исследование течений и теплообмена в ин-дукционной плазме высокочастотного плазмотрона. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б . Том VII-1. Часть 2. М., изд-во Янус-К. 2008. C. 220-234.
32. Patankar S.V., Spalding D.B. Heat and Mass Transfer in Boundary Layers. Intertext Books, London. 1970.