Исследование теплообмена и термохимического воздействия потоков диссоциированного воздуха на поверхность ультравысокотемпературных керамических материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхностиНИР

Study of heat transfer and thermochemical action of dissociated air jets on ultrahigh-temperature ceramic materials: experiments by high-frequency plasmatrons, numerical modeling and surface analysis

Соисполнители НИР

ИОНХ Соисполнитель
ИПМехРАН; Соисполнитель
ЦАГИ Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Исследование теплообмена и термохимического воздействия потоков диссоциированного воздуха на поверхность ультравысокотемпературных керамических материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности
Результаты этапа: Выполнены численные оценки соответствия тепловых потоков в точках торможения при обтекании модели дозвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при входе затупленных тел со сверхзвуковой скоростью в атмосферу Земли, когда параметры этих качественно разных течений связаны условиями локального моделирования. Для холодных стенок подтверждено подобие нормализованных тепловых потоков во всем диапазоне эффективного коэффициента каталитической рекомбинации атомов при выполнении условий моделирования. Расчетами для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне и для соответствующих параметров входа в атмосферу Земли установлено, что температура равновесно радиационной стенки с хорошей точностью моделируется в дозвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха для высо-кокаталитических поверхностей и с удовлетворительной точностью - для низкокаталитических. На ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 в сверхзвуковых потоках диссоциированного азота исследованы теплообмен и поведение высокоплотной ультравысокотемпературной керамики HfB2-SiC. Испытания проведены при давлении в барокамере 8.5 гПа и расходе азота 3.6 г/c c использованием конического сопла с диаметром выходного сечения 50 мм. Образцы-таблетки из керамики устанавливались в цилиндрическую модель диаметром 30 мм с полусферическим притуплением с плоским носком диаметром 14 мм. При мощности ВЧ-генератора 64 кВт реализован нагрев поверхности образца керамики до 2400 К. С применением растровой электронной микроскопии изучена микроструктура поверхности образцов после воздействия потока диссоциированного азота.
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Исследование теплообмена и термохимического воздействия потоков диссоциированного воздуха на поверхность ультравысокотемпературных керамических материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности
Результаты этапа: Выявлена сложная газодинамическая структура осесимметричного обтекания специально сконструированной цилиндрической державки с графитовым образцом в носовой части. Из сравнений величин тепловых потоков, полученных в расчетах и экспериментах при использовании ряда звуковых сопел, устанавливаемых на выходе из разрядного канала. можно заключить, что эффективная вероятность рекомбинации атомов азота на поверхности графита в рассмотренных диапазонах параметров фактически не зависит от размеров выходных диаметров сопел, от температуры поверхности, от давления торможения и равна γwN =0.1. В целом экспериментальные данные по тепловым потокам к поверхности графита в точке торможения с точностью 5% согласуются с расчетными и в сверхзвуковых потоках диссоциированного азота, в отличие от дозвуковых течений, графит нужно рассматривать как среднекаталитичный материал. При исследовании теплообмена в недорасширенных струях диссоциированного воздуха на трех медных водоохлаждаемых цилиндрической моделях диаметром dm = 20 мм при использовании сопла с выходным сечением диаметром 40 мм расхождение расчета с экспериментом для всех рассмотренных моделей не превышало 7%. Для сопла с диаметром выходного сечения D = 50 мм наиболее существенное отклонение эксперимента от расчета наблюдалось на модели со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части и составило 12.6%. При этом для двух других моделей отклонение эксперимента от расчета находилось в пределах 7-8%, что допустимо с учетом оценки погрешности метода измерений с использованием стационарных проточных датчиков теплового потока в 5-10% .
3 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Исследование теплообмена и термохимического воздействия потоков диссоциированного воздуха на поверхность ультравысокотемпературных керамических материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".