Применение моделей гетерогенного катализа при решении задач струйного обтекания моделей из меди для условий экспериментов на индукционном ВЧ-плазмотроне


Просмотр статьи
PDF, 1,4 МБ

Application of Heterogeneous Catalysis Models in Solving Problems of Jet Flow around Copper Models for Experimental Conditions on Induction HF Plasmatron

A stepwise model of the heterogeneous kinetics of the interaction of dissociated air with a copper surface is proposed based on the methods of quantum mechanics and the theory of the transition state. Numerical simulation of multicomponent non-equilibrium dissociated air flow past a copper water-cooled cylindrical model with a spherical nose in underexpanded supersonic jets of high-enthalpy air is performed within the framework of the Navier-Stokes equations, taking into account chemical reactions in the flow and on a cold surface for the conditions of experiments on the VGU-4 induction RF plasma torch. (IPMech RAS) on heat transfer.Comparison of numerical solutions for the chemical composition of the gas and for heat fluxes on the surface of a hemispherical sensor for various boundary conditions on the surface, based on both the Goulard model and the model proposed in this paper, is carried out.

dissociated air, heterogeneous catalysis, heat transfer, HF plasmatron

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.4.1060

Александр Александрович Крупнов, Михаил Юрьевич Погосбекян, Владимир Игоревич Сахаров

Том 24, выпуск 4, 2023 год



Предложена постадийная модель гетерогенной кинетики взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью меди на основе методов квантовой механики и теории переходного состояния. Выполнено численное моделирование обтекания медной водоохлаждаемой цилиндрической модели со сферической носовой частью в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха в рамках уравнений Навье-Стокса многокомпонентным неравновесно-диссоциированным воздухом с учетом химических реакций в потоке и на холодной поверхности для условий экспериментов на индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) по теплообмену. Проведено сравнение численных решений по химическому составу газа и по тепловым потокам на поверхности полусферического датчика для различных граничных условий на поверхности, основанных как на модели Гуларда, так и на модели, предложенной в данной работе.

диссоциированный воздух, гетерогенный катализ, теплообмен, ВЧ-плазмотрон

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.4.1060

Александр Александрович Крупнов, Михаил Юрьевич Погосбекян, Владимир Игоревич Сахаров

Том 24, выпуск 4, 2023 год



1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to “Buran’s” Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPE J. 1992. Vol. 28, № 3. P. 29−33.
2. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Известия РАН Механика жидкости и газа РАН. МЖГ. 2011. № 4. P. 130–142.
3. Колесников А.Ф., Гордеев А.Н., Cахаров В.И. Теплообмен в недорасширенных неравновесных струях углекислого газа: эксперимент на индукционном плазмотроне и экстраполяция на условия входа в атмосферу Марса // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Vol. 15, № 4.
4. Galkin S.S. et al. Investigation of Influence of Model Geometry on Convective Heat Transfer to Cold Catalytic Surface in Supersonic Dissociated Air Flows in HF-Plasmatron // Phys. Kinet. Gas Dyn. 2021. Vol. 22, № 3. P. 21–30.
5. Уманский С.Я. Теория элементарного акта химического превращения в газе. Москва: Изд-во МГУ, 2000. 287 p.
6. Chorkendorff I., Niemantsverdriet J.W. Concepts of Modern Catalysis and Kinetics, 3rd Edition. Third. WILEY-VCH VerlagGmbH&Co.KGaA, Boschstr. 12, 69469Weinheim, Germany, 2017. 524 p.
7. Becke A.D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior // Phys. Rev. A. 1988. Vol. 38, № 6. P. 3098–3100.
8. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37, № 2. P. 785–789.
9. Hariharan P.C., Pople J.A. The influence of polarization functions on molecular orbital hydrogenation energies // Theor. Chim. Acta. 1973. Vol. 28, № 3. P. 213–222.
10. Frisch M.J. et al. Gaussian 09 // Gaussian, Inc., Wallingford CT. 2009.
11. Glasstone S., Laidler K.J., Eyring H. The theory of rate processes // McGraw-Hill. New York, 1941. 611 p.
12. Kovalev V.L., Kroupnov A.A., Vetchinkin А.S. Quantum mechanics calculation of catalytic properties of a copper sensor for prediction of flow characteristics in plasmatron // Acta Astronaut. 2015. Vol. 117. P. 408–413.
13. Goulard R. On Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation Heat Transfer // J. Jet Propuls. 1958. Vol. 28, № 11. P. 737–745.
14. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 224 p.
15. Kroupnov A.A., Pogosbekian M.J. Interaction of dissociated air with the surface of β-cristobalite material // Acta Astronaut. 2023. Vol. 203. P. 454–468.
16. 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, 2004. P. 323–328.
17. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона // Известия РАН Механика жидкости и газа РАН МЖГ. 2007. № 6. P. 157–168.
18. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. 3rd ed. Москва: Наука, 1978.
19. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двух-атомных молекул в термически равновесных условиях // Известия РАН Механика жидкости и газа РАН МЖГ. 1999. № 1. P. 181–186.
20. Losev S.A., Makarov V.N., Pogosbekyan M.Y. Model of the physico-chemical kinetics behind the front of a very intense shock wave in air // Fluid Dyn. 1995. Vol. 30, № 2. P. 299–309.
21. Park C. et al. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II - Mars entries // J. Thermophys. Heat Transf. 1994. Vol. 8, № 1. P. 9–23.
22. Losev S., Makarov V., Nikolsky V. Thermochemical nonequilibrium kinetic models in strong shock waves on air // 6th Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1994.
23. Hirschfelder J.O., Curtiss C.F., Bird R.B. The Molecular Theory of Gases and Liquids. New York: John Willey and Sons, 1954. 1219 p.
24. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hil, 1977. 688 p.
25. Васильевский, С.А. Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Известия РАН Механика жидкости и газа РАН. Механика жидкости и газа. 2000. № 5. P. 164–173.