Теплообмен на каталитической поверхности в дозвуковой струе плазмы азота


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

Heat Transfer to Catalytic Surface in a Subsonic Jet of Nitrogen Plasma

Validation studies on the heat fluxes on water-cooled catalytic surfaces in subsonic flows of high-temperature dissociated nitrogen are presented. Simulations are performed for the conditions of experiments performed in the IGP-4 plasmatron available in IPMech RAS for four operating powers and three test materials with known catalytic recombination coefficients. The computational model describes two-dimensional flow of chemically non-equilibrium nitrogen plasma. Stefan-Maxwell equations are applied to model multicomponent diffusion in the flow and on the catalytic surface. Reasonable agreement between the calculated and measured heat fluxes is demonstrated. It is shown that deviation of the results of the computational model from the experimentally determined heat fluxes is generally within 15% (the highest deviation is 29%). Possible reasons for the deviation are discussed, and the dependence of heat fluxes on the kinetic scheme is demonstrated.

plasmatron, catalytic surface, numerical modeling, dissociated nitrogen, chemical non-equilibrium, effective catalytic recombination coefficient.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.2.992


Том 23, выпуск 2, 2022 год



В работе представлены результаты валидационных расчетов по определению тепловых потоков на водоохлаждаемой каталитической поверхности в дозвуковом потоке высокотемпературного диссоциированного азота. Моделировался эксперимент на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 для четырёх режимов мощности и трёх испытываемых материалов с известным эффективным коэффициентом рекомбинации. Вычислительная модель описывает двумерное течение химически неравновесной однократно ионизованной плазмы азота. Диффузия в потоке и на поверхности описывается соотношениями Стефана-Максвелла. Показано удовлетворительное совпадение расчётов с экспериментом по тепловым потокам. Продемонстрировано, что погрешность представленной вычислительной модели не превышает в среднем15% (максимальное отклонение – 29%). Обсуждаются возможные причины отклонений расчетов от эксперимента, продемонстрирована зависимость тепловых потоков на поверхности от используемой кинетической схемы.

ВЧ-плазмотрон, каталитическая поверхность, численное моделирование, плазма азота, химическая неравновесность, эффективный коэффициент рекомбинации.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.2.992


Том 23, выпуск 2, 2022 год



1. Ames Research Facilities Summary, NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA 1974
2. Savino R., Fumo M., Paterna D., Maso A., Monteverde F. Arc-Jet testing of ultra high temperature ceramics // Aerospace science and technology. 2010. V.14. P. 178–187
3. Васильевский С.А., Колесников А.Ф. Численное исследование течений и теплообмена в индукционной плазме высокочастотного плазмотрона // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Сер. Б. Т. VII-1. Ч. 2. М.: Янус-К, 2008. С. 220–234.
4. Degrez G., Vanden Abeele D., Barbante P., Bottin B. Numerical simulation of inductively coupled plasma flows under chemical non equilibrium // International Journal of Numerical Methods in Heat and Fluid Flow. 2004. V. 14(4). P. 538–558.
5. Massuti-Ballester B., Marynowski T., Herdrich G. New inductively heated plasma source IPG7 // Front. Appl. Plasma Technol. 2013. V. 6, P. 2–6.
6. Minghao Y., Takahashi Y., Kihara H., Abe K., Yamada K., Abe T., Miyatani S. Thermochemical nonequilibrium 2D modeling of nitrogen inductively coupled plasma flow // Plasma Science and Technology. 2015. V.17. No. 9. P. 749–760
7. Власов В.И., Залогин Г.Н., Ковалёв Р.В. Численное моделирование течения различных плазмообразующих газов в тракте ВЧ-плазмотрона // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т.19(4). С. 1–23
8. Колесников А.Ф., Щёлоков С.Л. Анализ условий моделирования аэродинамического нагрева // Изв. РАН. МЖГ. 2021. №2. C. 91–96
9. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Васильевский С.А. Теплообмен в дозвуковых струях диссоциированного азота: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование // ТВТ. 2018. Т.56. №3 С. 417–423
10. Васильевский С.А, Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Чаплыгин А.В. Тепловой эффект поверхностного катализа в дозвуковых струях диссоциированного воздуха: эксперимент на ВЧ-плазмотроне и численное моделирование // Изв. РАН. МЖГ. 2020. №5. С. 137–150
11. Баронец П.Ф., Колесников А.Ф., Кубарев С.Н., Першин И.С., Труханов А.С., Якушин М.И. Сверхравновесный нагрев поверхности теплозащитной плитки в дозвуковой струе диссоциированного воздуха // Изв. АН СССР. МЖГ. 1991. №3. С. 144–150
12. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and numerical combustion. 2005. Philadelphia PA.:Edwards. 522 p.
13. Под ред. Глушко В.П. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в 4-х томах. М.: Наука, 1979.
14. Андриатис А.В., Жлуктов С.А., Соколова И.В. Транспортные коэффициенты смеси воздуха химически неравновесного состава // Математические модели и вычислительный эксперимент. 1992. Т.4. №1
15. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures // Journal of chemical physics. 1950. V.18. No. 4
16. Ферцигер Дж., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. М.:Мир. 1976. С. 554
17. Колесников А.Ф. Соотношения Стефана-Максвелла для амбиполярной диффузии в двухтемпературной плазме с приложением к задаче об ионно-звуковой волне // Изв. РАН. МЖГ. 2015. №1. C. 170–181.
18. Колесников А.Ф., Тирский Г.А. Уравнения гидродинамики для частично ионизованных многокомпонентных смесей газов с коэффициентами переноса в высших приближениях. В кн.: Молекулярная газодинамика. М.: Наука, 1982. C. 20-44.
19. Суржиков С.Т. Компьютерная аэрофизика спускаемых космических аппаратов. Двухмерные модели. М.:Физматлит. 2018. 544 с.
20. Park C. Stagnation point radiation for Apollo 4 — a review and current status // AIAA paper 2001-3070. 16 p.
21. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.:Физматлит. 2003. 352 с.
22. Blazek J. Computational fluid dynamics: principles and applications. 2001. Elsevier
23. Гордеев А.Н. Колесников А.Ф. Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных неравновесных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН. МЖГ. 2011. №4. C. 130–142.
24. Сахаров В.И. Численное моделирование течений в индукционном плазмотроне и теплообмена в недорасширенных струях воздуха для условий экспериментов на установке ВГУ-4 (ИПМех РАН) // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007.№5. С. 1–23
25. Борисов В.Е., Давыдов А.А., Кудряшов И.Ю., Луцкий А.Е., Меньшов И.С., Параллельная реализация неявной схемы на основе метода LU-SGS для моделирования трехмерных турбулентных течений // Матем. Моделирование. 2014. Т 26. № 10. С. 64–78
26. Kitamura, K., Hashimoto, A. Reduced dissipation AUSM-family fluxes: HR-SLAU2 and HR-AUSM+-up for high resolution unsteady flow simulations // Comput. Fluids. 2016. V. 126. P. 41–57.
27. Peles O., Turkel E. Acceleration methods for multi-physics compressible flow // J. of Comp. Phys. 2018. 358
28. Dunn M.G., Kang S.W. Theoretical and Experimental Studies of Reentry Plasmas // NASA CR-2232, 1983