ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ДОЗВУКОВЫХ СТРУЯХ ДИССОЦИИРОВАННОГО ВОЗДУХА В ВЧ-ПЛАЗМОТРОНЕ


Просмотр статьи
PDF, 792,6 КБ

Investigation of Convective Heat Transfer Simula-tion Accuracy in Subsonic High-Enthalpy Air Flows in HF-Plasmatron

Numerical estimations of correspondence between stagnation point heat fluxes to a cylindrical model in subsonic high-enthalpy air jet in HF-plasmatron and entry heating a blunt body in Earth atmosphere are performed in the case, when thermodynamic and hydrodynamic parameters of these absolutely different flows are in one-to-one correlation according to the concept of local heat transfer simulation. For cold wall case similarity of normalized heat fluxes is numerically confirmed in the whole range of a catalytic recombination coefficient, when conditions of local heat transfer simulation are satisfied. Through CFD modeling performed for HF-plasmatron subsonic tests and corresponding atmospheric entry conditions it is proved, that temperatures of radiative equilibrium surfaces of a model and blunt body are in a good and acceptable agreement for high and low catalytic walls.

HF-plasmatron, high-enthalpy air flows, simulation of heat transfer, CFD modeling, catalytic recombination of atoms.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.21.2.905

Сергей Александрович Васильевский, Анатолий Федорович Колесников, Владимир Игоревич Сахаров

Том 21, выпуск 2, 2020 год



Выполнены численные оценки соответствия тепловых потоков в точках торможения при обтекании модели дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при входе затупленных тел со сверхзвуковой скоростью в атмосферу Земли, когда параметры этих качественно разных течений связаны условиями локального моделирования. Для холодных стенок подтверждено подобие нормализованных тепловых потоков во всем диапазоне эффективного коэффициента каталитической рекомбинации атомов при выполнении условий моделирования. Расчетами для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне и для соответствующих параметров входа в атмосферу Земли установлено, что температура равновесно радиационной стенки с хорошей точностью моделируется в дозвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха для высо-кокаталитических поверхностей и с удовлетворительной точностью - для низкокаталитических.

индукционный ВЧ-плазмотрон, потоки диссоциированного воздуха, моделирование теплообмена, численное моделирование, каталитическая рекомбинация атомов.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.21.2.905

Сергей Александрович Васильевский, Анатолий Федорович Колесников, Владимир Игоревич Сахаров

Том 21, выпуск 2, 2020 год



1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to "Buran's" Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPE Journal. 1992. V. 28. No. 3. PP.29-33.
2. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б., Мурзинов И.Н., Румынский А.Н., Кузьмин Л.А. Высокочастотный плазмотрон – установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение. 1994. № 2. С. 22-32.
3. Жестков Б.Е. Исследование термохимической устойчивости теплозащитных материалов // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 5. С. 62-77.
4. 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
5. 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. 2002. V. 16. No. 3. https://doi.org/10.2514/2.6698
6. Bourdon A., Bultel A., Desportes A., van Ootegem B., Vervisch P. Catalycity Studies of TPS in a 90kW Plasmatron at CORIA. Presented at the 2nd International Symposium “Atmospheric Reentry Vehicles and Systems”, Arcachon (France), March 26-29, 2001.
7. 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
8. 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.
9. Kolesnikov A.F. The Concept of Local Simulation for Stagnation Point Heat Transfer in Hypersonic Flows: Applications and Validation. AIAA 2000-2515. 2000. https://doi.org/10.2514/6.2000-2515
10. Колесников А.Ф. Условия локального подобия термохимического взаимодействия высоко-энтальпийных потоков газов с неразрушаемой поверхностью // ТВТ. 2014. Т. 52. № 1. С.118-125. https://doi.org/10.7868/S004036441306015X
11. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А. Моделирование нагрева в критической точке и определение каталитической активности поверхности для спускаемого аппарата «EXPERT»// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/123/
12. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А., Тептеева Е.С. Влияние геометрии разрядного канала ВЧ-плазмотрона на теплообмен в высокоэнтальпийных дозвуковых струях воздуха // ТВТ. 2019. Т. 57. № 4. С. 509–517. https://doi.org/10.1134/S0040364419040112
13. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное исследование течений и теплообмена в индукционной плазме высокочастотного плазмотрона // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б . Том VII-1. Часть 2. М., изд-во Янус-К. 2008. C. 220-234.
14. Петухов И.В. Численный расчет двумерных течений в пограничном слое // В сб. «Числен-ные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений и квадратурные формулы». М.: Наука. 1964. С. 304-325.
15. 15.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.
16. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона // Изв. РАН МЖГ. 2007. № 6. С. 157-168.
17. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. М.: Наука, 1978. Т.1. Кн. 1. 495с; Т.1. Кн. 2. 327 с.
18. 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.
19. 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. https://doi.org/10.1007/BF02029844
20. Park C. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions, I: Earth Entries // J. Thermophys. Heat Trans. 1993. V.7. No.3. PP. 385-398 https://doi.org/10.2514/3.431
21. 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. https://doi.org/10.2514/6.1994-1990
22. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с.
23. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p.
24. 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. P. 179-186.
25. 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.
26. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Подобие теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при обтекании сферы высокоскоростным потоком в атмосфере // Изв. РАН МЖГ. 2016. № 3. С. 110-116. https://doi.org/10.7868/S0568528116030099
27. Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М.: Машиностроение. 1975. 328 с.
28. 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.