Исследование влияния форм моделей и различных граничных условий на их поверхностях на конвективные тепловые потоки в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне
Studing the influence of model shapes and various boundary conditions on their surfaces on convective heat flows in supersonic dissociated air jets in an HF plasma torch
For experimental conditions on heat transfer in underexpanded dissociated air jets, three water-cooled copper cylindrical models with a diameter of 20 mm and various geometries (flat-end, spherical nose, rounded-edge, and flat nose) were numerically simulated using the Navier-Stokes equations. The flow around these models was simulated by multicomponent, nonequilibrium dissociated air, taking into account chemical reactions in the flow and on the cold surface. The studies were conducted in underexpanded high-enthalpy air jets flowing from water-cooled conical nozzles with exit cross-section diameters of 40 and 50 mm at a submerged pressure of 8.5 hPa, an air flow rate of 3.6 g/s, and an anode power of the plasma torch's RF generator of 64 kW. Heat fluxes in the nose of the models were measured using flow-through stationary calorimeters with a flat or spherical copper heat-receiving surface. The distance between the forward stagnation point of the model and the nozzle exit was 30 mm in all experiments. Satisfactory agreement was achieved between the experimental and calculated heat flux densities at the stagnation point for an effective heterogeneous recombination coefficient of γ = 0.1 and a model of the staged heterogeneous kinetics of the interaction of dissociated air with a copper surface. Both models use one free parameter, varying which allows heat flux densities in the vicinity of the stagnation point to be obtained that are identical to the experimental values and to each other, although in the second model, this parameter, unlike in the first, has a clear physical meaning.
inductive RF plasmatron, supersonic jets of dissociated air, heat fluxes at the stagnation point, numerical modeling, catalytic recombination of atoms.
Для условий экспериментов по теплообмену в недорасширенных струях диссоциированного воздуха для трех медных водоохлаждаемых цилиндрических моделей диаметром 20 мм различной геометрии: с плоским торцом, со сферической носовой частью, со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части выполнено численное моделирование их обтекания в рамках уравнений Навье-Стокса многокомпонентным неравновесно диссоциированного воздуха с учетом химических реакций в потоке и на холодной поверхности. Исследования проводились в недорасширенных струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из водоохлаждаемых конических сопел с диаметрами выходных сечений 40 и 50 мм при давлении в затопленном пространстве 8.5 гПа, расходе воздуха 3.6 г/c и мощности ВЧ-генератора плазмотрона по анодному питанию 64 кВт. Тепловые потоки в носовой части моделей в экспериментах измерялись проточными стационарными калориметрами с плоской или сферической тепловоспринимающей поверхностью из меди. Расстояние между передней критической точкой моделей и срезом сопла во всех экспериментах составляло 30 мм. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных данных по плотностям тепловых потоков в точке торможения при эффективном коэффициенте гетерогенной рекомбинации γw = 0.1 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 и друг с другом, хотя во второй модели этот параметр, в отличие от первой, имеет ясный физический смысл.
индукционный ВЧ-плазмотрон, сверхзвуковые струи диссоциированного воздуха, тепловые потоки в точке торможения, численное моделирование, каталитическая рекомбинация атомов.
1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to "Buran's" Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPE Journal. 1992. V. 28. No. 3. PP.29-33. 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. https://doi.org/10.7868/S004036441306015X 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 атмосфере // Изв. РАН МЖГ. 2016. № 3. С. 110-116. https://doi.org/10.7868/S0568528116030099 5. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б., Мурзинов И.Н., Румынский А.Н., Кузьмин Л.А. Высокочастотный плазмотрон – установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение. 1994. № 2. С. 22-32. 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. Goulard R. On Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation Heat Transfer // J. Jet Propuls. 1958. Vol. 28, № 11. Pp. 737–745. 8. Галкин С.С., Колесников А.Ф., Сахаров В.И., Чаплыгин А.В. Исследование влияния формы модели на конвективные тепловые потоки к холодной каталитической поверхности в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, издательство Институт механики МГУ (Москва), том 22, № 3, с. 1-10. https://doi.org/10.33257/PhChGD.22.3.941 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. Spase Vehicles. Cologne, Germany, 2004. SP 563. Noordwijk: ESTEC, 2004. PP. 323-328. 12. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона // Изв. РАН МЖГ. 2007. № 6. С. 157-168. 13. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. М.: Наука, 1978. Т.1. Кн. 1. 495с; Т.1. Кн. 2. 327 с. 14. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двухатомных молекул в термически равновесных условиях // Изв. РАН МЖГ. 1999. №1. С. 181-186. 15. Лосев С.А., Макаров В.Н., Погосбекян М.Ю. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Изв. РАН МЖГ. 1995. №2. С. 169-182. https://doi.org/10.1007/BF02029844 16. Park C., Howe J.T., Jaffe R.L., Candler G.V. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II: Mars Entries // J. Thermophys. Heat Trans. 1994. V.8. No.1. PP. 9-23. https://doi.org/10.2514/3.496 17. Losev S.A., Makarov V.N., Pogosbekyan M. Ju., Shatalov O.P., Nikol’sky V.S. Thermochemical nonequilibrium kinetic models in strong shock waves on air // AIAA Paper. 1990. № 1994. 13p. https://doi.org/10.2514/6.1994-1990 18. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с. 19. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p. 20. Afonina N.E.,Gromov V.G. Thermochemical nonequilibrium computations for a MARS express probe // Proc. 3rd Europ. Symp. Aerothermodynam. Space Vehicles, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands. 1998. pp. 179-186. 21. Гордеев О.А., Калинин А.П., Комов А.Л., Люстерник В.Е., Самуйлов Е.В. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. ТФЦ-М: ИВТАН, 1985. №5 (55). 100 с. 22. 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. 23. 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.
