Расчетно-экспериментальное исследование каталитической активности сверх высокотемпературной керамики


Просмотр статьи
PDF, 874,0 КБ

Numerical and experimental study of catalytic activity of super high-temperature ceramics

Using the calculation and experimental methods, the catalytic activity of samples from super high-temperature ceramics based on hafnium diboride was determined. Hypersonic wind tunnel VAT-104 (TsAGI) equipped with a high-frequency induction gas heater was used to study flow over models and heating of ceramic disks at surface temperatures up to 3500 K. A significant effect of the catalytic properties of materials at ultrahigh flow rates on the heat flow was demonstrated. At the same time a numerical modeling of the flow of chemically nonequilibrium air plasma in the framework of the Navier-Stokes equations over these models was carried out, for the conditions of experiments at the VAT-104 facility. To calculate the high-frequency electric field, the Maxwell equations were used. By comparing of the calculated and experimental values of the heat fluxes to the surface of the disk, the catalytic activity of the ceramic material is determined.

Keywords: supersonic flow, chemically nonequilibrium air plasma, catalytic activity, super high-temperature ceramics

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.20.2.819


Том 20, выпуск 2, 2019 год



С помощью расчетно-экспериментальной методики определена каталитическая активность образцов сверх высокотемпературной керамики на основе диборида гафния. В ЦАГИ на гиперзвуковой аэродинамической трубе ВАТ-104, оснащенной высокочастотным индукционным подогревателем газов, проведены исследования обтекания и нагревания керамических дисков при температурах поверхности до 3500 К. Продемонстрировано существенное влияние каталитических свойств материалов при сверхвысоких скоростях обтекания на тепловой поток. Одновременно для условий экспериментов на АДТ ВАТ-104 в рамках уравнений Навье-Стокса было проведено численное моделирование обтекания этих моделей химически неравновесной воздушной плазмой. Для расчета высокочастотного электрического поля использовались уравнения Максвелла. Путем сопоставления расчётных и экспериментальных значений тепловых потоков к поверхности диска определена каталитическая активность керамического материала.

Ключевые слова: сверхзвуковое течение, химически неравновесная воздушная плазма, каталитическая активность, сверх высокотемпературная керамика.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.20.2.819


Том 20, выпуск 2, 2019 год



Литература
1. 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. C. 3-13.
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. С. 130 – 142.
3. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Сахаров В.И. Теплообмен в недорасширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент на индукционном плазмотроне численное моделирование и экстраполяция на условия входа в атмосферу Марса. // Электронный журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике». 2014. Т. 15. Вып. 4. http://chemphys.edu.ru/pdf/2014-11-28-005.pdf.
4. 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. // Изв. РАН. МЖГ. 2016. №3. С. 115-120.
5. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент и численное моделирование // Теплофизика высоких температур. 2015, Т. 53, № 2. С. 284-290.
6. 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 недорасширенными 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/.
7. Жестков Б.Е., Терентьева В.С. Исследование многофункционального покрытия МАИ Д5, предназначенного для защиты особо жаропрочных материалов. // Металлы, 2010. № 1. С. 39-48.
8. Жестков Б.Е., Книвель А.Я. Экспериментальное исследование гетерогенной рекомбинации. // Труды ЦАГИ. 1981. Вып. 2111. С.215-227.
9. Андронова Ю.И., Жестков Б.Е. Макаров И.Г., Литвин А.С. Определение каталитических свойств материалов из тепловых измерений. // В сборнике “Аэротермодинамика воздушно-космических систем”, изд. ЦАГИ, 1992, часть 1. С. 209-216.
10. Shvedchenko V.V., Zhestkov B.E., Fischer W.P.P., Ebeling W.D. Methodology and Results of Catalycity and Plasma Erosion Tests on FEI Components // 1994. SAE Technical Paper 941586.
11. Zhestkov B.E., Ivanov D.V., Shvedchenko V.V., Yegorov I.V. et al. Heat Flux Determination to Flat and Wavy FEI Surface // 1998, ESA-WPP-141, p.71-81.
12. Zhestkov B.E., Ivanov D.V., Shvedchenko V.V., Yegorov I.V., Fischer W.P.P., Antonenko J.,36924747300
13. Zhestkov B.E., Yegorov I.V., Fischer W.P.P., Antonenko J. Wind tunnel catalyticity evaluation for thermoprotective elements. // ICES Paper 2001-01-2384.
14. 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. C. 3 – 13.
15. Жестков Б.Е. Исследование термохимической устойчивости теплозащитных материалов. // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV, № 5. C. 62-77
16. Vaganov, A.V., Zhestkov, B.E., Lyamin, Yu.B., Poilov, V.Z., Pryamilova, E.N.: Methodology of investigation of ultra high temperature ceramics thermochemical stability and catalycity //AIP Conference Proceedings 1770, 030097 (2016); doi: 10.1063/1.4964039.
17. Kablov, E. N., Zhestkov, B.E., Grashchenkov, D.V., Sorokin, O. Ju., Lebedeva, Ju.E. and Vaganova, M.L.: Investigation of the Oxidative Resistance of the High-Temperature Coating on a sic Material under Exposure to High-Enthalpy Flow. High Temperature. 2017. Vol. 55, no.6. P. 873–879.
18. Zhestkov, B.E., Vaganova, M.L., Lebedeva, Ju.E., Sorokin, O. Ju Influence of nitrogen high speed flow exposure on the microstructure and surface chemistry of a coated SiC composite. High Temperature. 2018. Vol. 56, no.6. P. 857–863.
19. Мошаров В.Е., Радченко В.Н., Сенюев И.В. Пирометрия с использованием П.З.С. камер // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 4. С. 132-137.
20. Сенюев И.В. Применение спектральной пирометрии в аэродинамическом эксперименте для измерения температуры поверхности и пламени. // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. XLVIII, №2. С. 50-61.
21. Казаков В.А., Сенюев И.В. Измерение распределения температуры на поверхности образца при испытаниях в тепловых аэродинамических трубах. // Труды МАИ. 2017. №94. http://trudymai.ru/published.php?ID=81065.
22. 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.
23. Сахаров В.И. Численное моделирование термическии химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. 2007. № 6. С. 157-168
24. 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.