МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <5 • 2008
УДК 533.6.011.8:532.526:541.12
© 2008 г. М. БАЛА-ПИШЛЕН, В. Л. КОВАЛЕВ, А. Ф. КОЛЕСНИКОВ, А. А. КРУПНОВ
ВЛИЯНИЕ НЕПОЛНОЙ АККОМОДАЦИИ ЭНЕРГИИ ГЕТЕРОГЕННОЙ РЕКОМБИНАЦИИ НА ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ К ПОВЕРХНОСТИ КВАРЦА
Детальный учет гетерогенных каталитических процессов, в том числе образования на поверхности частиц с возбужденными внутренними степенями свободы, а также процессов многокомпонентной диффузии и теплопереноса в установке MESOX позволил получить величины коэффициентов рекомбинации и аккомодации энергии рекомбинации атомов кислорода на кварце, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Построенная модель гетерогенного катализа может быть эффективно использована для предсказания тепловых потоков к поверхности многоразовых космических аппаратов при их входе в атмосферу Земли.
Ключевые слова: гетерогенные каталитические реакции, многокомпонентная диффузия, конвективный тепловой поток, тушение электронно-возбужденных молекул, аккомодация энергии рекомбинации.
Создание космических многоразовых транспортных систем значительно повысило интерес к изучению процессов термохимического взаимодействия многокомпонентных диссоцированных газов с поверхностью материалов [1-6]. Это связано с тем, что использование низкокаталитических покрытий для теплозащитных материалов позволяет существенно снизить тепловые потоки к поверхности аппарата и, следовательно, уменьшить вес теплозащиты и увеличить полезную нагрузку.
Каталитическая рекомбинация атомов на поверхности характеризуется коэффициентами рекомбинации у и аккомодации энергии рекомбинации р. Эти коэффициенты показывают соответственно долю атомов, рекомбинирующих на поверхности, и долю химической энергии, переданной поверхности в этом процессе. С помощью теории в настоящее время невозможно априори предсказать каталитические свойства материалов. Не существует и прямых методов измерения у и в даже при комнатных температурах поверхности, не говоря уже о натурных температурах теплозащитных покрытий. Тем не менее совместное применение экспериментальных и теоретических методов позволяет дать правильную интерпретацию экспериментальных данных и прогнозировать каталитические свойства материалов для условий спуска в атмосфере Земли и Марса [1, 4, 5].
Экспериментальные установки для исследования гетерогенной рекомбинации атомов основаны на физических эффектах, сопутствующих рекомбинации,- изменении концентрации атомов в потоке вблизи исследуемой поверхности (диффузионные установки) и выделении на ней тепла (калориметрические) [1, 3]. В первых определяется у, а во вторых - произведение ур.
Существенными возможностями обладает диффузионно-калориметрическая установка MESOX (Moyen d'Essai Solaire d'Oxydation) [6], в которой в одном эксперименте определяются коэффициенты у и р для рекомбинации атомарного кислорода на поверхностях материалов, нагретых до высоких температур. В настоящей работе приводятся новые экспериментальные данные, полученные в этой установке для материала на основе кварца. С целью их интерпретации построена и использована физико-математическая модель, детально учитывающая процессы диссоциации-рекомбинации, а также об-
Фиг. 1. Установка MESOX: 1 - микроволновый генератор, 2 - зеркало, 3 - оптическое окно, 4 - образец материала, 5 - оптический пирометр, 6 - щель, 7 - линза, 8 - спектрометр, 9 - CCD матрица 3000, 10 - компьютер, 11 - измеритель расхода газа
разования и тушения молекул с электронно-возбужденными степенями свободы как в газовой фазе, так и на поверхности. Получено хорошее согласие теоретических результатов с экспериментальными данными. В дальнейшем данная кинетическая модель гетерогенных каталитических процессов может быть использована для расчетов аэродинамического нагрева космических аппаратов в условиях планирующего спуска в атмосфере.
1. Диффузионный и тепловой эксперимент на установке MESOX. Схема установки MESOX приведена на фиг. 1. Реактор состоит из кварцевой трубы диаметром 50 мм и длиной 500 мм с оптическими окнами из CaF2 для пирометрических измерений. Испытываемый образец материала диаметром 25 мм и толщиной 3 мм располагается в центре разряда, создаваемого микроволновым плазменным генератором (2450 МГц, 1.2 кВт), в фокусе концентратора солнечного излучения мощностью 6 кВт с регулируемым затвором. При максимальной плотности теплового потока 4.5 мВт/м2 образец может быть нагрет до температуры 2500 К в диапазоне давления 102-105 Па.
Профиль относительной концентрации атомов кислорода около поверхности исследуемого образца определяется с помощью оптической эмиссионной спектроскопии методом актинометрии по отношению интенсивностей излучения атомов О и Ar соответственно в линиях 844.6 и 842.4 нм. Спектральный прибор представляет собой оптическую следящую систему, включающую в себя линзу, зеркало и монохроматор Triax 550 Jobin-Yvon, оснащенный оптическим многоканальным анализатором ОМА. Измерения температуры фронтальной и задней поверхностей образца проводятся с помощью оптического пирометра на длине волны 5 цм, оснащенного системой из одного поворотного
и двух стационарных зеркал. Давление изменяется посредством откачки с помощью вакуумного насоса.
Коэффициент гетерогенной рекомбинации атомарного кислорода у0 вычисляется по измеренным отношениям интенсивностей спектральных линий I^Ar с помощью полуэмпирических соотношений
= (П0е _ Л4D0, air П°е = [I°/1 д] g
У° U°w J V5 ' now [1р/1дг] ^
подтвержденных экспериментами в широких диапазонах изменения температуры и давления [6]. Здесь y - нормальная к поверхности образца координата, nO - число атомов кислорода в единице объема, 5 - толщина диффузионного слоя, DO, air - коэффициент диффузии атомов кислорода в воздухе и V - среднеквадратичная скорость атомов кислорода; индекс е относится к внешней границе диффузионного пограничного слоя, w - к поверхности.
Для определения в эксперименты проводились в частично диссоциированном воздухе и аргоне. Образец материала нагревался за счет солнечной радиации, микроволнового излучения и поглощенной энергии рекомбинации. Первые два вклада в нагрев образца одинаковы в воздухе и аргоне, последний имеет место только для диссоциированнго воздуха. Для равновесно излучающей поверхности образца условия теплового баланса в воздухе и аргоне приводят к соотношению [6]
= р. с = ^ о[( f*)4- (тг* )4+(с* )4- (с*)4 ]
Здесь е - степень черноты поверхности, о - константа Стефана - Больцмана, Tf* , r;g*, с* , Tb - температуры фронтальной (f) и задней (b) поверхности образца в
воздухе и аргоне; Jq , Jrqec - вклады рекомбинации атомов в тепловой поток к поверхности исследуемого образца и при условии полной аккомодации энергии рекомбинации на ней. Определенная в [6] по экспериментальным данным толщина диффузионного пограничного слоя 5 = 0.9 см. Измеренные при давлении 200 Па температуры фронтальной поверхности образца Tw и соответствующие температуры воздуха на границе диффузионного слоя T5 приведены ниже
Tw, K 966±3 1182±5 1377 ± 7 1566± 9 1770±11
75, K 1300 1400 1500 1600 1800
2. Постановка задачи. При температурах, не превышающих 2000 К, используемая в установке смесь воздуха и аргона 5-10% состоит из молекул М2 и 02 и атомов О и Аг. Предполагается, что за счет микроволнового излучения на внешней границе диффузионного слоя имеются электронно-возбужденные молекулы N1 и О* с достаточно
энергонасыщенными уровнями возбуждения 7.38 и 4.51 эВ соответственно [3, 10].
Рассматриваются процессы, обусловленные диффузией и теплопроводностью в тонком диффузионном слое около поверхности образца неразрушаемого материала. Конвективным переносом пренебрегается из-за малой скорости течения газа в установке (объемный расход воздуха в реакторе (0.55-5.55) х 10-4 м3/с).
В стационарной одномерной постановке задачи определяющие уравнения - уравнения диффузии, уравнение энергии и уравнение состояния, записанные на оси симметрии
д3; Э 3 а
^ = м;, 1 = 1, ..., N; = 0
ду ' ду
РКАТ 1 N С; р = -, — = > — (р = const)
т т ¿—I т.
т т т;
; = 1 '
с соотношением Стефана-Максвелла для диффузионных потоков и формулой для теплового потока
N
N
дС; т х-1 ^ Т ■ 1 .1 г л дТ ^ , . эу = Р; = 1'-'N; 3а = -^ >Н:3:
} = 1
ду
; = 1
Ф;; = -СВ, ; * ], = - С;В;; - > т-а„, а
} = 1
Д,( 1)
в,
N Т
= > I —-—I скак---, ; = 1, ..., N. Н: = к0 + [ ср,^Т +
тк) к }к т/ ^ ' ' J р; '
к=1
I С; =1, > 3;
; = 1 ;=1
Здесь 3;, - проекции на ось у векторов массового диффузионного потока :-й компоненты и потока тепла; Т, т, т; - температура, молекулярные массы смеси и ;-й компоненты; ЯА - универсальная газовая постоянная; Д/1) и X - коэффициенты бинарной
диффузии и теплопроводности смеси; Н;, Н0, Ср;, Q; - удельные энтальпия, энтальпия образования, теплоемкость ;-й компоненты и избыточная удельная энергия ;-й возбужденной молекулы; м>; - скорость образования массы ;-й компоненты в единице объема. Как отмечено в [3], изменения коэффициентов переноса электронно-возбужденных молекул кислорода и азота по сравнению с соответствующими значениями в основных состояниях не превосходят 10%. Ввиду этого здесь предполагалось, что коэффициенты бинарной диффузии и теплопроводности для молекул в возбужденном и основном состояниях совпадают. Коэффициент теплопроводности смеси X определялся по формуле Мэсона и Саксены [7] с поправочным множителем Эйкена для многоатомных газов [8]. Коэффициенты бинарной диффузии и теплопроводности отдельных компонент выражались через интегралы столкновений по формулам кинетической теории [9]. Для вычисления энтальпий, теплоемкостей и интегралов столкновений применялись аппрокси-мационные зависимости от температуры, взятые из [11].
В газовой фазе учитывались реакции диссоциации-рекомбинации кислорода
О + М о 20 + М
диссоциации возбужденных молекул кислорода
О* + М ^ 20 + М
и тушения возбужденных молекул кислорода и азота 20* ^ 202, О* + М ^ 02 + М, N1 + М ^ ^ + М
N
Т
*
N
N
Здесь M - любая компонента газовой смеси. Коэффициенты скоростей этих реакций взяты из [12, 13].
Детальный механизм гетерогенных каталитических процессов на поверхности
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.