Тепловые потоки к поверхности цилиндрической модели из меди в сверхзвуковых недорасширенных струях диссоциированного воздуха для условий экспериментов на индукционном плазмотроне ВГУ-4 с различными моделями граничных условий на поверхности
Heat fluxes at a cylindrical copper model surface in supersonic underexpanded jets of dissociated air for experimental conditions on the induction plasma torch VGU-4 with different models of boundary conditions at the surface
The objective of this work is to perform a computational study of heat transfer between copper water-cooled models with a flat end in the nose section with supersonic jets of dissociated air for conditions realized in experiments on the VGU-4 RF plasma torch when working with conical nozzles with outlet section diameters of 30, 40 and 50 mm in the range of air flow rates supplied to the discharge channel of 2.4 – 4.8 g/s and to compare these calculated data with experimental values. For the experimental conditions, a numerical simulation of the flow around the models was performed within the framework of the Navier-Stokes equations for multicomponent nonequilibrium dissociated air taking into account chemical reactions in the flow and on the cold surface for various boundary conditions on their surfaces (the Goulard model and the model of stage-by-stage heterogeneous kinetics of the interaction of dissociated air with the copper surface). Both models use one free parameter, the variation of which allows obtaining heat flux densities in the vicinity of the stagnation point identical to the experimental values, although in the second model this parameter, unlike the first, has a clear physical meaning. From the calculations, the values of these parameters were obtained for two copper water-cooled cylindrical models with a diameter of 20 mm and 30 mm with a flat end in the nose section at different distances between the front stagnation point of the models and the nozzle section, which varied in the range from 25 mm to 50 mm.
Цель данной работы заключается в расчетном исследовании теплообмена медных водоохлаждаемых моделей с плоским торцом в носовой части со сверхзвуковыми струями диссоциированного воздуха для условий, реализуемых в экспериментах на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 при работе с коническими соплами с диаметрами выходных сечений 30, 40 и 50 мм в диапазоне расхода подаваемого воздуха в разрядный канал 2.4 – 4.8 г/с и в сравнении этих расчетных данных с экспериментальными значениями. Для условий экспериментов выполнено численное моделирование обтекания моделей в рамках уравнений Навье-Стокса для многокомпонентного неравновесно диссоциированного воздуха с учетом химических реакций в потоке и на холодной поверхности для различных граничных условий на их поверхностях (модели Гуларда и модели постадийной гетерогенной кинетики взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью меди). В обеих моделях используется по одному свободному параметру, вариация которых позволяет получить плотности тепловых потоков в окрестности точки торможения одинаковые с экспериментальными значениями, хотя во второй модели этот параметр, в отличие от первой, имеет ясный физический смысл. Из расчетов получены значения этих параметров для двух медных водоохлаждаемых цилиндрических моделей диаметром 20 мм и 30 мм с плоским торцом в носовой части при различных расстояниях между передней критической точкой моделей и срезом сопла, которое варьировалось в диапазоне от 25мм до 50мм. Ключевые слова: диссоциированный воздух, гет
1. 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. 2. 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 3. Колесников А.Ф. Условия локального подобия термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с неразрушаемой поверхностью//ТВТ. 2014. Т. 52. № 1. С. 118− 125. 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. № 3. 2016. с. 110-116. 5. Сахаров В.И. Численное моделирование течений в индукционном высокочастотном плазмотроне и теплообмена в недорасширенных струях воздуха//Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика, издательство Изд-во Моск. ун-та (М.), № 3, с. 61-64. 6. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных неравновесных струях индукционного плазмотрона// Изв. РАН МЖГ. № 4. 2011. С. 130-142. 7. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона// Изв. РАН МЖГ. № 6. 2007. № 6, с. 157-168. 8. Goulard R. On Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation Heat Transfer // J. Jet Propuls. 1958. Vol. 28, № 11. Pp. 737–745. 9. Крупнов А. А., Погосбекян М. Ю., Сахаров В. И. Разработка и применение моделей катализа в задачах высокоскоростного обтекания затупленных тел потоком диссоциированного воздуха // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2024. Т. 25, № 6. С. 1-70 10. Крупнов А.А., Погосбекян М.Ю., Сахаров В.И. Применение моделей гетерогенного катализа при решении задач струйного обтекания моделей из меди для условий экспериментов на индукционном ВЧ-плазмотронев журнале Физико-химическая кинетика в газовой динамике, издательство Институт механики МГУ (Москва), том 24, № 4, с. 1-16 11. Afonina N. E., Gromov V. G., Sakharov V. I. HIGHTEMP technique of high temperature gas flows numerical simulations // Proc. 5th Europ. Symp. on Aerothermodyn. Space Vehicles. Cologne, 2004. pp. 323–328. 12. Гурвич Л. В., Вейц И. В., Медведев В. А. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Москва: Наука, 1978. . https://doi.org/10.1615/0-8493-9926-2.0 13. Losev S. A., et al. 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 14. Ибрагимова Л. Б., Смехов Г. Д., Шаталов О. П. Константы скорости диссоциации двухатомных молекул в термически равновесных условиях // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1999. № 1. C. 181–186. 15. Лосев С. А., Макаров В. Н., Погосбекян М. Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1995. № 2. C. 169–182. 16. Park C., et al. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II - Mars entries // J. Thermophys. Heat Transf. 1994. Vol. 8, № 1. Pp. 9–23. 17. 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. 18. Reid R. C., Prausnitz J. M., Sherwood T. K. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGrawHil, 1977. 688 p. 19. Васильевский С. А. Колесников А. Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Известия РАН. Механика жидкостии газа. 2000. № 5. C. 164–173.
