научная статья по теме ТЕЧЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕН В НЕДОРАСШИРЕННЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ СТРУЯХ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА: ЭКСПЕРИМЕНТ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕЧЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕН В НЕДОРАСШИРЕННЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ СТРУЯХ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА: ЭКСПЕРИМЕНТ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 284-290

УДК 533.6.011.8

ТЕЧЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕН В НЕДОРАСШИРЕННЫХ

НЕРАВНОВЕСНЫХ СТРУЯХ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА: ЭКСПЕРИМЕНТ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ © 2015 г. А. Н. Гордеев1, А. Ф. Колесников1, В. И. Сахаров2

Федеральное государственное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского

Российской академии наук, Москва 2Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова

E-mail: koles@ipmnet.ru Поступила в редакцию 16.01.2014 г.

Представлены результаты экспериментального и численного исследования теплообмена на цилиндрической модели с плоским торцом радиусом 10 мм в недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа при рабочих параметрах 100-киловаттного ВЧ-плазмотрона.

DOI: 10.7868/S004036441501007X

ВВЕДЕНИЕ

Теплообмен поверхности в струе индукционного плазмотрона изучался экспериментально и численно в [1—5]. Тем не менее для каждой действующей высокоэнтальпийной установки эта тема остается актуальной по следующим основным причинам. Во-первых, измерения и расчеты тепловых потоков и давлений торможения составляют неотъемлемую часть диагностики течений химически активной плазмы, в частности восстановления энтальпии. Во-вторых, они необходимы при определении коэффициентов рекомбинации атомов на поверхности материалов. В-третьих, такие данные требуются для нахождения коэффициентов теплообмена в экспериментах, которые в свою очередь нужны для решения вопросов моделирования и переноса лабораторных данных на условия натурного полета. Наконец, в-четвертых, экспериментально-теоретические исследования теплообмена важны для проверки точности компьютерных кодов, предназначенных для расчетов высокоэнтальпийных неравновесных течений химически реагирующих газов и плазмы [1—4].

Высокочастотные индукционные плазмотроны являются наиболее удобным и гибким средством для исследования каталитических свойств тепловой защиты многоразового использования и для ее циклических ресурсных испытаний. Использование чистых плазменных струй индукционных плазмотронов позволяет наиболее полно и точно моделировать термохимическое воздействие плазмы ударного слоя на поверхность материалов тепловой защиты спускаемых аппаратов. Для траекторий планирующего спуска удается одновременно моделировать такие характеристики,

как полная энтальпия и давление торможения в окрестности критической точки потока на поверхности. При правильном выборе размеров и формы модели в этой окрестности воспроизводятся толщина пограничного слоя, распределения температуры и концентрации химических компонентов поперек пограничного слоя, а следовательно, и тепловой поток, и температура поверхности исследуемого материала [6, 7].

ВЧ-плазмотрон ВГУ-4 — многофункциональная установка для исследований теплообмена и термохимических испытаний теплозащитных материалов [8]. Установка может работать на воздухе и других газах (азот, кислород, углекислый газ, аргон) в режимах до- и сверхзвукового истечения плазмы из разрядного канала. Выбор того или другого режима зависит от конкретной задачи эксперимента. Например, для определения каталитических характеристик покрытий оптимален дозвуковой режим, в котором набегающий на модель струйный поток химически равновесный, а пограничный слой близок к замороженному [9]. При выборе режима испытаний образцов материалов в осесимметричной конфигурации обтекания модели необходимо руководствоваться критерием моделирования [6, 7], выражающимся через отношение эффективных радиусов модели и натурного тела.

Сверхзвуковой режим работы плазмотрона существенно сложнее для исследований теплообмена, чем дозвуковой, в силу двух принципиальных обстоятельств. Во-первых, при сверхзвуковом истечении плазмы из звукового сопла имеет место сложная ударно-волновая структура недо-расширенной струи [1—3]. Во-вторых, как уста-

новлено в [1, 2], водоохлаждаемая поверхность меди в потоке диссоциированного воздуха при М > 1 не является высококаталитичной по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота, что наблюдается в дозвуковых струях [9]. Тем не менее сверхзвуковые недорасширенные струи низкотемпературной плазмы позволяют достигать максимальных тепловых потоков, что представляет наибольший интерес, но в то же время имеют и наибольшую сложность с точки зрения численного моделирования газодинамики и термохимии таких течений.

Для ряда режимных параметров плазмотрона ВГУ-4 задачи численного моделирования решались в различных постановках [1—4], в том числе путем сквозного расчета течения термически и химически неравновесной воздушной плазмы в разрядном канале и в пространстве, ограниченном стенками барокамеры и поверхностью модели [2]. В результате получены согласующиеся экспериментальные и расчетные данные по тепловым потокам и давлению в точке торможения на цилиндрической модели с плоским носком в первой сверхзвуковой зоне недорасширенной струи диссоциированного воздуха [1—3].

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

В настоящих экспериментах использовался насадок на разрядный канал плазмотрона — звуковое коническое сопло с выходным сечением 30 мм. После поджига разряда при соответствующей откачке газа из барокамеры в последней формировалась недорасширенная высокоэнтальпий-ная струя диссоциированной и частично ионизованной смеси углекислого газа, истекающей из звукового сопла. Геометрия и физические параметры струи определялись расходом углекислого газа через разрядный канал, мощностью генератора по анодному питанию и давлением в затопленном пространстве барокамеры. Расход углекислого газа устанавливался и поддерживался постоянным с помощью расходомера-контроллера "Bronkhorst MV-106". После выхода установки на заданные режимные параметры в струю с помощью координатного устройства вводилась цилиндрическая водоохлаждаемая модель с плоским носком диаметром 20 мм с установленным в ней проточным калориметром или датчиком давления торможения.

Регистрация мощности анодного питания осуществляется с помощью сенсоров, входящих в состав ВЧ-генератора плазмотрона ВГУ-4 и АЦП Е-270. Регистрация давлений в диапазоне 0—200 гПа осуществляется датчиками "Элемер АИР-20/М2" с точностью измерения ±0.4 гПа.

Плотность стационарного теплового потока в центральной части плоской лицевой поверхности модели определяется по расходу воды через калориметр, площади тепловоспринимающей по-

верхности калориметра и разности температур на выходе и входе в калориметр. Время выхода калориметра на стационарное значение теплового потока составляет 10 с.

При неизменных параметрах набегающего потока модель с помощью координатного устройства перемещалась вдоль оси струи так, чтобы обтекание модели потоком плазмы СО2 оставалось осесимметричным. Измеренные значения разности температур воды в калориметре вместе с остальными параметрами эксперимента регистрировались на жесткий диск компьютера через 1 с при помощи программы "АС-Те81", которая также обеспечивала вывод всех необходимых величин на дисплей компьютера в реальном времени как в цифровой форме, так и в виде графиков. Для проверки воспроизводимости измерений последние проводились при прямом и обратном ходах модели. Перед началом измерений плоская полированная тепловоспринимающая поверхность медного калориметра диаметром 11.8 мм оставалась в потоке плазмы СО2 в течение нескольких минут. Точность измерений теплового потока к охлаждаемой поверхности меди в точке торможения потока составляет ±5%.

В дозвуковых потоках диссоциированного воздуха медь может использоваться в качестве эталонного высококаталитичного материала [9], однако в соответствии с результатами [10] при обтекании водоохлаждаемой поверхности модели дозвуковым потоком диссоциированного углекислого газа медь не может рассматриваться в качестве такого эталона.

Для измерения давления на поверхности модели в точке торможения потока использовалась та же водоохлаждаемая модель, в которую вместо калориметра устанавливался датчик давления.

В каждом эксперименте получены распределения вдоль оси струи плотности тепловых потоков 2) к водоохлаждаемой медной поверхности калориметра, установленного в водоохлаждаемую медную модель, и давления на поверхности модели в точке торможения потока. В данной работе представлены данные, полученные при массовом расходе О = 2.4, 3 и 4.6 г/с, мощности генератора по анодному питанию N = 45, 53 и 64 кВт, давлению в затопленном пространстве барокамеры рх = 10.4 гПа.

ОПИСАНИЕ ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА

Численное моделирование течений в разрядном канале плазмотрона с индукционным нагревом газов и в истекающих недорасширенных струях диссоциированного и частично ионизованного углекислого газа проводилось для условий работы установки ВГУ-4. Применялась технология, основанная на комплексе программ численного интегрирования уравнений Навье—

Стокса [11] и специальных программ-генераторов, взаимодействующих с базами данных по термодинамическим и переносным свойствам индивидуальных газовых веществ [12].

Система нестационарных уравнений Навье— Стокса решалась численно на структурированной криволинейной сетке методом конечного объема. Система конечно-разностных уравнений состояла из численных аналогов уравнений сохранения для четырехугольных ячеек, покрывающих расчетную область, и разностных аппроксимаций граничных условий. Методом конечного объема определялось приближенное решение — значения физических переменных Zц (давления, температуры, вектора скорости, концентраций компонентов) в центре каждой ячейки (хц, уц) и в центре каждой стороны ячейки (х^, у^), примыкающей к

твердой стенке. Невязкие численные потоки через стороны ячейки вычислялись по результату решения задачи Римана о распаде произвольного

X к

разрыва Zв = , Zв) [13], где Ш — оператор решения задачи Римана. Граничные значения ZL¿R определялись по лимитированным одномерным экстраполяционным формулам вектора Z от центров ячеек к центрам сторон. Численные значе-

Ру18

0 через стороны ячеек рассчитывались по центральным и односторонним разностным формулам второго порядка точности.

Разностные уравнения решались с помощью двухслойной нея

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком