Взаимодействие диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитных материалов SiO2 и SiC для условий экспериментов в ВЧ-плазматроне


Просмотр статьи
PDF, 1,2 МБ

Interaction of dissociated air with the surface of thermal protection materials SiO2 and SiC for experimental conditions in a HF plasmatron

Using the stage-by-stage heterogeneous kinetics of the interaction of dissociated air with the surfaces of β-cristobalite and silicon carbide materials, numerical simulation of supersonic multicomponent nonequilibrium-dissociated air flow past a cylindrical model was performed within the framework of the Navier-Stokes equations, taking into account chemical reactions in the flow for the conditions of heat transfer experiments at the VGU-4 induction HF plasmatron (IPMech RAS). A comparative analysis of the flow calculations in the plasmatron for the considered materials was carried out for two characteristic surface temperatures of 849 and 1500 K over a wide range of the adsorption center density parameter. The contribution of dif-fusion and thermal conductivity processes to the heat flux to the surface was determined for various parameters of gas interaction with surface materials. It is shown that heterogeneous re-combination processes of nitric oxide play a key role in calculating the chemical composition of the gas on the surface.

dissociated air, nitrogen oxide, heterogeneous catalysis, heat exchange, HF plasmatron, β-cristobalite, density of adsorption site

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.7.1219

Александр Александрович Крупнов, Михаил Юрьевич Погосбекян, Владимир Игоревич Сахаров

Том 26, выпуск 7, 2025 год



С использованием постадийной гетерогенной кинетики взаимодействия диссоцииро-ванного воздуха с поверхностями материалов β-кристобалита и карбида кремния вы-полнено численное моделирование обтекания цилиндрической модели сверхзвуковым многокомпонентным неравновесно-диссоциированным воздухом в рамках уравнений Навье-Стокса с учетом химических реакций в потоке для условий экспериментов по теплообмену на индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН). Проведен срав-нительный анализ расчетов течения в плазмотроне для рассматриваемых материалов для двух характерных температур поверхности 849 и 1500 K в широком диапазоне па-раметра плотности центров адсорбции. Определен вклад процессов диффузии и тепло-проводности в тепловой поток к поверхности для различных параметров взаимодей-ствия газа с материалами поверхности. Показано, что процессы гетерогенной рекомбинации оксида азота играют ключевую роль при расчете химического состава газа на поверхности.

диссоциированный воздух, оксид азота, гетерогенный катализ, теплообмен, ВЧ-плазмотрон, β-кристобалит, карбид кремния, плотность адсорбционных центров

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.7.1219

Александр Александрович Крупнов, Михаил Юрьевич Погосбекян, Владимир Игоревич Сахаров

Том 26, выпуск 7, 2025 год



1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F. High-Frequency Induction Plasmatrons of the VGU Series // Topical Problems inMechanics. Physico-ChemicalMechanics of Liquids and Gases (in Russian). Moscow: Nauka, 2010. P. 151.
2. Чаплыгин А. et al. Экспериментальное и численное исследование теплового эффекта катализа на поверхностях металлов и кварца в недорасширенных струях диссоциированного воздуха // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Vol. 19, № 4. P. 1–11.
3. Simonenko E.P. et al. Effect of 2 vol % Graphene Additive on Heat Transfer of Ceramic Material in Underexpanded Jets of Dissociated Air // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. Vol. 67, № 12. P. 2050–2061.
4. Chaplygin A. V. et al. Short-Term Oxidation of HfB2-SiC Based UHTC in Supersonic Flow of Carbon Dioxide Plasma // Plasma. 2024. Vol. 7, № 2. P. 300–315.
5. 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. P. 323–328.
6. 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.
7. Романовский Б.В. Основы катализа. Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 1–172 p.
8. 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-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Vol. 24, № 4. P. 1–16.
9. Kroupnov A.A., Pogosbekian M.J. The influence of heterogeneous catalytic processes on the heat flux to the surface and the chemical composition of the shock layer at high-speed flow around blunt bodies // Acta Astronaut. 2024. Vol. 219. P. 517–531.
10. Shakurova L., Kustova E. State-specific boundary conditions for nonequilibrium gas flows in slip regime // Phys. Rev. E. 2022. Vol. 105, № 3. P. 034126.
11. Shakurova L., Armenise I., Kustova E. State-specific slip boundary conditions in non-equilibrium gas flows: Theoretical models and their assessment // Phys. Fluids. 2023. Vol. 35, № 8.
12. Molchanova A.N., Kashkovsky A. V., Bondar Y.A. Surface recombination in the direct simulation Monte Carlo method // Phys. Fluids. 2018. Vol. 30, № 10.
13. Litvintsev A.S., Molchanova A.N., Bondar Y.A. NO production on the reentry spacecraft thermal protection system surface in the direct simulation Monte Carlo method // J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1404, № 1.
14. Лунев В.В. Течение реальных газов с большими скоростями. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 760 p.
15. Anderson J.D. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics – Second edition. Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006. 811 p.
16. 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.
17. Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. // J. Am. Chem. Soc. 1918. Vol. 40, № 9. P. 1361–1403.
18. 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.
19. 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.
20. Лосев С., Макаров В., Погосбекян М. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1995. № 2. P. 169–182.
21. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hil, 1977. 688 p.
22. Gurvich L. V., Veyts I. V., Alcock C.B. Thermodynamic Properties of Individual Substances. Begell House Inc., 1994.
23. 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.