Развитие методов экспериментального исследования теплообмена в струях диссоциированных газов высокочастотных индукционных плазмотронов

Язык труда и переводы:
УДК:
533.6.011.8
Дата публикации:
10 января 2022, 20:56
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Чаплыгин Алексей Владимирович
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Васильевский Сергей Александрович
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Тептеева Елена Сергеевна
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Колесников Анатолий Федорович
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Галкин Семен Сергеевич
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Аннотация:
В дозвуковых струях диссоциированных газов ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 определены тепловые потоки к поверхностям датчиков из меди и кварца с использованием в экспериментах ультразвукового жидкостного расходомера и тепловизора высокого разрешения. С помощью новой цилиндрической модели определены тепловые потоки к поверхностям образцов из графита и ультравысокотемпературной керамики, нагретым до высокой температуры в струях азотной плазмы.
Ключевые слова:
теплообмен, диссоциация, графит, ВЧ-плазмотрон, катализ, аэродинамический нагрев, ультравысокотемпературная керамика
Основной текст труда

Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4 мощностью 1 МВт и 100 кВт [1] позволяют исследовать теплообмен моделей и образцов в струях химически чистых диссоциированных газов в условиях, моделирующих воздействие высокоэнтальпийного газового потока на поверхность спускаемого аппарата при входе в атмосферу.

Неотъемлемой частью исследования термохимической стойкости и каталитических свойств образцов материалов в струях ВЧ-плазмотронов является определение тепловых потоков к поверхности. В лабораторной практике используются проточные калориметры, которые позволяют определить плотность теплового потока на холодных поверхностях металлов, кварца и графита. При анализе результатов экспериментов для материалов с высокой теплопроводностью (металлов и графита) температура тепловоспринимающей поверхности принимается равной температуре охлаждающей воды, для низкотеплопроводных материалов (кварца) до недавнего времени температура поверхности восстанавливалась расчетным способом из решения одномерного уравнения теплопроводности. В представленной работе температура поверхности кварцевых датчиков теплового потока определялась непосредственно в процессе эксперимента с помощью тепловизора Testo 890. Получены распределения температур на лицевой поверхности трех кварцевых датчиков разной толщины для различных экспериментальных режимов, проведено сравнение результатов экспериментов с опубликованными данными [2]. Наблюдался систематический перегрев краев лицевой поверхности цилиндрического кварцевого датчика по сравнению c центральной её частью.

На результаты измерений, проводимых с помощью проточных калориметров, влияет точность определения расхода охлаждающей воды. Эталонным является метод прямой проливки, при котором с помощью секундомера определяется время заполнения ёмкости заданного объема. Однако большое число ручных операций, включающих размыкание проточного тракта калориметра после каждого эксперимента, затрудняет использование метода в крупных сериях измерений. В рамках модернизации установки ВГУ-4 установлен ультразвуковой расходомер жидкости Bronkhorst ES-Flow. С использованием нового расходомера определялись потоки к холодной медной поверхности калориметра в дозвуковой струе воздушной плазмы. Отмечено хорошее соответствие результатов экспериментов данным, которые были получены до установки ультразвукового расходомера [2].

Важным для задач расчетно-экспериментального моделирования теплообмена в струях ВЧ-плазмотронов является развитие методов по определению теплового потока к поверхности, нагретой до высокой температуры (более 2000 K). Разработана новая цилиндрическая модель диаметром 30 мм, позволяющая измерять тепловые потоки к нагретым образцам с учетом утечек тепла в водоохлаждаемую державку [3]. Выполнены эксперименты по определению тепловых потоков к нагретым поверхностям графита [4] и ультравысокотемпературной керамики в струях азотной плазмы с использованием данной модели.

Основные выводы:

  1. Использование тепловизионной съемки расширило возможности анализа результатов измерений, проводимых в струях высокоэнтальпийных газов с помощью калориметров из низкотеплопроводных материалов.
  2. Жидкостный ультразвуковой расходомер Bronkhorst ES-Flow обеспечивает достаточную точность измерений для определения тепловых потоков в условиях плазмотрона ВГУ-4 проточными калориметрами.
  3. Новая цилиндрическая модель для измерения тепловых потоков позволяет проводить исследования каталитических свойств материалов при высокой температуре поверхности.
Грант
Работа выполнена в рамках государственного задания АААА-А20-120011690135-5 на уникальной научной установке (УНУ) «Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4» (https://ckp-rf.ru/usu/441568/)
Литература
  1. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Индукционные плазмотроны серии ВГУ // Актуальные проблемы механики. Физико-химическая механика жидкостей и газов: сб. трудов. М.: Наука, 2010. С. 151–177.
  2. Vasilevskii S.A., Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V. Thermal effect of surface catalysis in subsonic dissociated-air jets. Experiment on a high-frequency plasmatron and numerical modeling // Fluid Dynamics. 2020. Vol. 55. No. 5. Pр. 708–720.
  3. Лукомский И.В., Чаплыгин А.В., Колесников А.Ф. Устройство для измерения теплового потока к поверхности материала, нагретого в струе высокоэнтальпийного газа до высоких температур. Патент № 205572 U1 Российская Федерация, 2021, бюл. 21. 7 с.
  4. Kolesnikov A.F., Lukomskii I.V., Sakharov V.I., Chaplygin A.V. Experimental and numerical modeling of heat transfer to graphite surface in underexpanded dissociated nitrogen jets // Fluid Dynamics. 2021. Vol. 56. No. 6. Pр. 897–905.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.