Экспериментальное и численное моделирование теплообмена поверхности ультравысокотемпературной керамики в недорасширенных струях диссоциированного азота


Просмотр статьи
PDF, 1,4 МБ

Experimental and numerical simulation of the heat transfer of the UHTC surface in under-expanded dissociated nitrogen jets

Experiments on heat exchange in supersonic underexpanded jets of high-enthalpy nitrogen with ceramic specimens based on HfB2-SiC at a pressure in the pressure chamber of 8.5 hPa, gas flow rate through the discharge channel of 3.6 g/s, RF-generator power 64 kW were carried out on the induction RF-plasmatron VGU-4 (IPMech RAS). Three heat exchange modes were implemented using water-cooled conical nozzles with output diameters of 30, 40 and 50 mm. For the conditions of experiments in supersonic regimes, the numerical method in the framework of the Navier-Stokes equations and simplified Maxwell equations is used to simulate the flows of nitrogen plasma in the discharge channel of the plasmatron and the flow of underexpanded jets of dissociated nitrogen around a cylindrical holder with a ceramic specimen. From a comparison of experimental and calculated data on heat fluxes to the specimen surface, the effective coefficient of heterogeneous recombination of nitrogen atoms on the ceramic surface at temperatures of 2273–2843 K was determined.

RF-plasmatron, supersonic dissociated nitrogen flows, heat transfer, CFD modeling, UHTC, catalytic recombination of nitrogen atoms.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.1.979

Анатолий Федорович Колесников, Владимир Игоревич Сахаров, Алексей Владимирович Чаплыгин

Том 23, выпуск 1, 2022 год



На индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) проведены эксперименты по теплообмену в сверхзвуковых недорасширенных струях высокоэнтальпийного азота с керамическими образцами на основе HfB2-SiC при давлении в барокамере 8.5 гПа, расходе газа через разрядный канал 3.6 г/с, мощности ВЧ-генератора плазмотрона по анодному питанию 64 кВт. Реализованы три режима теплообмена с использованием водоохлаждаемых конических сопел с диаметрами выходных се-чений 30, 40 и 50 мм. Для условий экспериментов в сверхзвуковых режимах чис-ленным методом в рамках уравнений Навье-Стокса и упрощенных уравнений Максвелла выполнено моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания недорасширенными струями диссоциированного азота цилиндрической державки с керамическим образцом. Из сопоставления экспери-ментальных и расчетных данных по тепловым потокам к поверхности трех образ-цов определен эффективный коэффициент гетерогенной рекомбинации атомов азо-та на поверхности ультравысокотемпературной керамики при температурах 2273 – 2843 К.

ВЧ-плазмотрон, недорасширенная струя диссоциированного азота, теплообмен, численное моделирование, ультравысокотемпературная керамика, каталитическая рекомбинация атомов азота.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.1.979

Анатолий Федорович Колесников, Владимир Игоревич Сахаров, Алексей Владимирович Чаплыгин

Том 23, выпуск 1, 2022 год



1. Simonenko E.P., Sevast’Yanov D.V., Simonenko N.P., Sevast’Yanov V.G., Kuznetsov N.T. Promising ultra-high-temperature ceramic materials for aerospace applications // Russian journal of inorganic chemistry. 2013. Т. 58. № 14. С. 1669-1693. https://doi.org/10.1134/S0036023613140039
2. Savino R., Criscuolo L., Di Martino G. D., Mungiguerra S. Aero-thermo-chemical characteri-zation of ultra-high-temperature ceramics for aerospace applications // Journal of the Europe-an Ceramic Society. 2018. Т. 38. № 8. С. 2937-2953. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.043
3. Zhang X., Hu P., Han J., Meng S. Ablation behavior of ZrB2–SiC ultra high temperature ceramics under simulated atmospheric re-entry conditions // Composites Science and Tech-nology. 2008. Т. 68. № 7-8. С. 1718-1726. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.02.009
4. Parthasarathy T.A., Petry M.D., Cinibulk M.K., Mathur T., Gruber M. R. Thermal and oxida-tion response of UHTC leading edge samples exposed to simulated hypersonic flight condi-tions //Journal of the American Ceramic Society. 2013. Т. 96. № 3. С. 907-915.
5. Scatteia L., Alfano D., Cantoni S., Monteverde F., Fumo M. D.S., Maso A.D. Plasma torch test of an ultra-high-temperature ceramics nose cone demonstrator //Journal of Spacecraft and Rockets. 2010. Т. 47. № 2. С. 271-279.
6. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Индукционные плазмотроны серии ВГУ // В сб. «Ак-туальные проблемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов». М.: Наука, С. 151-177, 2010.
7. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to «Bu-ran's» Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPE Journal. 28(3), P. 29-33, May/June 1992.
8. Власов В.И., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б. Методика и результаты экспериментального определения каталитической активности материалов при высо-ких температурах // Известия РАН. Механика жидкости и газа. № 5, С. 178-189, 2003.
9. Жестков Б.Е. Исследование термохимической устойчивости теплозащитных материа-лов // Ученые записки ЦАГИ. Т. XLV, № 5, С. 62-77, 2014.
10. 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 Pa-per 2008-1252, Jan. 2008. https://doi.org/10.2514/6.2008-1252
11. Massuti-Ballester B., Pidan S., Herdrich G., Fertig M. Recent catalysis measurements at IRS // Advances in Space Research. V. 56, Issue 4, P. 742-765, 2015. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.04.028
12. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы при входе в атмосферу. М.: МГУ, 126 с., 1999.
13. Ковалев В.Л., Колесников А.Ф. Экспериментальное и теоретическое моделирование гетерогенного катализа в аэротермохимии (обзор). // Известия РАН. Механика жид-кости и газа. №5, С. 3-31, 2005.
14. Marschall J. Chamberlain A., Crunkleton D., Rogers B. Catalytic atom recombination on ZrB2/SiC and HfB2/SiC ultrahigh-temperature ceramic composites //Journal of Spacecraft and Rockets. 2004. Т. 41. № 4. С. 576-581.
15. Marschall J., Pejaković D. A., Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Panerai F., Chazot O. Tem-perature jump phenomenon during plasmatron testing of ZrB2-SiC ultrahigh-temperature ce-ramics // Journal of thermophysics and heat transfer. 2012. Т. 26. № 4. С. 559-572.
16. Scatteia L., Borrelli R., Cosentino G., Bêche E., Sans J. L., Balat-Pichelin M. Catalytic and radiative behaviors of ZrB2-SiC ultrahigh temperature ceramic composites // Journal of Spacecraft and rockets. 2006. Т. 43. № 5. С. 1004-1012.
17. Marschall J., Fletcher D. G. High-enthalpy test environments, flow modeling and in situ di-agnostics for characterizing ultra-high temperature ceramics //Journal of the European Ceram-ic Society. 2010. Т. 30. № 11. С. 2323-2336.
18. Колесников А.Ф., Лукомский И.В., Сахаров В.И., Чаплыгин А.В. Экспериментальное и численное моделирование теплообмена поверхности графита в недорасширенных струях диссоциированного азота // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2021. № 6. С. 136–144. https://doi.org/10.31857/S0568528121060074
19. Патент на полезную модель № 205572 U1 Российская Федерация, МПК G01N 25/00. Устройство для измерения теплового потока к поверхности материала, нагретого в струе высокоэнтальпийного газа до высоких температур: № 2021109253: заявл. 05.04.2021: опубл. 21.07.2021 / И.В. Лукомский, А.В. Чаплыгин, А.Ф. Колесников.
20. 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. P. 323-328, 2004.
21. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / ред. В.П.Глушко. М.: Наука, 1978. Т.1. Кн. 1. 495с; Т.1. Кн. 2. 327с
22. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.
23. Афонина Н.Е., Васильевский С.А., Громов В.Г., Колесников А.Ф., Першин И.С., Са-харов В.И., Якушин М.И. Течение и теплообмен в недорасширенных струях воздуха, истекающих из звукового сопла плазмотрона // Известия РАН. Механика жидкости и газа. № 5, С. 156-168, 2002.
24. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных те-чений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Из-вестия РАН. Механика жидкости и газа. № 6, С. 157-168, 2007
25. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновес-ной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Известия РАН. Механика жидкости и газа. № 5, С. 164-173, 2000.
26. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двухатомных молекул в термически равновесных условиях // Известия РАН. Механи-ка жидкости и газа. №1., С. 181-186, 1999. https://doi.org/10.1007/BF02698767
27. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Известия РАН. Механика жидко-сти и газа. №2, С. 169-182, 1995. https://doi.org/10.1007/BF02029844
28. Park C. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missons, Earth Entries // J. Thermophys and Heat Transfer. V.7, No.3, P. 385-398, 1993. https://doi.org/10.2514/3.496
29. Losev S.A., Makarov V.N., PogosbekyanM.Ju., Shatalov O.P., Nikol’skyV.S. , Thermo-chemiical nonequilibrium kinetic models in strong shock waves on air // AIAA Paper, № 1994. 13p. 1990. https://doi.org/10.2514/6.1994-1990
30. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с.
31. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p.
32. AfoninaN.E., Gromov V.G. Thermochemical nonequilibrium computations for a MARS ex-press probe // Proc. 3rd Europ. Symp. Aerothermodynam. Space Vehicles, ESTEC, Noord-wijk, The Netherland. 1998. P. 179-186.
33. Гордеев О.А., Калинин А.П., Комов А.Л., Люстерник В.Е., Самуйлов Е.В., Соколо-ва И.А., Фокин Л.Р. Потенциалы взаимодействия, упругие сечения, интегралы столкновений компонентов воздуха для температур до 20000 К. Обзоры по теплофи-зическим свойствам веществ / ТФЦ. Москва, ИВТАН. 1985. №5 (55). 100 С.