![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы моделирования аэродинамического нагрева поверхности тел при входе в атмосферу. На установках ВГУ-4 (ИПМех РАН) и ВАТ-104 (ЦАГИ) с индукционным нагревом газов будет исследован теплообмен и термохимическое взаимодействие потоков диссоциированных газов с поверхностью материалов для условий входа тел в атмосферы Земли и Марса с гиперзвуковыми скоростями. Такие установки позволяют исключить загрязнение поверхности материалов и испытывать материалы в строго контролируемых условиях. Испытания материалов необходимо сочетать с численным параметрическим моделированием обтекания образцов материала и теплообмена с их поверхностью. Параметры до- и сверхзвуковых струй диссоциированного воздуха, азота и углекислого газа будут определяться по совокупности данных экспериментальной диагностики и численного моделирования течений неравновесной химически активной плазмы в рамках уравнений Навье-Стокса для условий экспериментов. Экспериментально и численно будет исследован тепловой эффект рекомбинации атомов О, N и молекул CO на поверхностях металлов, кварца, углерода и керамики. В рамках проекта будет изучено воздействие струй диссоциированного воздуха и углекислого газа на поверхность ультравысокотемпературных керамических материалов состава HfB2-SiC, включая глубину окисления, элементный и фазовый состав, микроструктуру поверхности. Экспериментальные данные по теплообмену и поведению материалов в струйных потоках диссоциированных газов, полученные в установках ВГУ-4 и ВАТ-104, будут также экстраполированы на условия входа затупленных тел в атмосферы Земли и Марса.
The project is aimed at solving the fundamental problem of modeling the aerodynamic heating of the surface of bodies at the entrance to the atmosphere. The heat transfer and thermochemical interaction of dissociated gas flows with the material surface for the conditions of the entry of bodies into the atmosphere of the Earth and Mars with hypersonic velocities will be studied at the VGU-4 (IPMekh RAS) and BAT-104 (TsAGI) facilities with induction heating of gases. Such installations allow to exclude contamination of a surface of materials and to test materials in strictly controlled conditions. Tests of materials must be combined with numerical parametric modeling of flow around the material samples and heat exchange with their surface. Parameters of pre- and supersonic jets of dissociated air, nitrogen and carbon dioxide will be determined from the combined data of experimental diagnostics and numerical modeling of the flows of a nonequilibrium chemically active plasma within the framework of the Navier-Stokes equations for experimental conditions. The thermal effect of recombination of O, N atoms and CO molecules on the surfaces of metals, quartz, carbon and ceramics will be experimentally and numerically studied. The project will study the effect of jets of dissociated air and carbon dioxide on the surface of ultrahigh-temperature ceramic materials of HfB2-SiC composition, including the depth of oxidation, elemental and phase composition, and microstructure of the surface. Experimental data on the heat transfer and behavior of materials in the jet streams of dissociated gases obtained in the VSU-4 and BAT-104 facilities will also be extrapolated to the conditions of the entry of blunted bodies into the atmosphere of the Earth and Mars.
за первый год выполнения проекта (развернутое описание ; форма изложения должна дать возможность провести экспертизу результатов) - измеренные тепловые потоки к водоохлаждаемым поверхностям металлов и кварца вдоль оси до- и сверхзвуковых струй плазмы азота и воздуха в расширенном диапазоне энтальпии 5-50 МДж/кг и давления торможения 0.04-0.5 атм; - измеренные скоростные напоры и давление торможения вдоль оси до- и сверхзвуковых струй плазмы азота и воздуха в расширенной области рабочих параметров ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 с коническими соплами 30 и 40 мм; - данные термовизионных и пирометрических измерений температуры поверхности углерода и керамики в дозвуковых струях диссоциированного азота и воздуха; - новый технический подход к определению интегральной степени черноты поверхности углерода и керамики при высоких температурах поверхности; - поля течений в канале плазмотрона ВГУ-4 и при обтекании цилиндрических моделей дозвуковыми потоками азота и воздуха в широкой области параметров эксперимента (энерговклада в плазму, расхода газа в разрядном канале, давления в барокамере); - поля течений при обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением сверхзвуковыми потоками азота и воздуха для условий экспериментов на плазмотроне ВГУ-4; - будет изготовлена новая модель-державка для исследования теплообмена поверхностей углерода и керамики со сверхзвуковыми недорасширенными струями диссоциированных газов; - в экспериментах на ВЧ-плазмотронах будет экспериментально определены температурные границы термохимической стойкости ультравысокотемпературных керамических материалов состава HfB2-SiC в потоках диссоциированного воздуха и углекислого газа; - будет выполнен сравнительный анализ микроструктуры поверхности керамики после воздействия на них до- и сверхзвуковых потоков диссоциированных газов; - испытание образца керамики (круглый тонкий диск ¤ ~ 20.9мм) в потоке воздушной плазмы в АДТ ВАТ-104 на различных расстояниях от среза сверхзвукового сопла; - численное моделирование обтекания и теплообмена образцов в форме круговых дисков в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104;
Коллективы ИПМех РАН и ЦАГИ имеют уникальные высокотемпературные газодинамические установки - индукционные ВЧ-плазмотроны ВГУ-4 мощностью 100 кВт, ВГУ-3 мощностью 1 МВт и АДТ ВАТ-104 мощностью 240 квт, превосходящие по своим параметрам и функциональным возможностям другие установки такого типа в России и за рубежом. В ИПМех РАН разработан и верифицирован эффективный экспериментально-теоретический метод исследования теплообмена поверхностей в дозвуковых потоках высокоэнтальпийных газов. Осуществлено моделирование теплопередачи к критической точке аппарата «EXPERT» для двух точек траектории входа в атмосферу Земли. Разработанный комплекс программ в Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова позволяет проводить расчеты гиперзвукового обтекания тел и моделировать сложные физические процессы в индукционных плазмотронах с учетом неравновесных химических реакций и релаксации внутренних степеней свободы. В ИМех МГУ численно решена задача гиперзвукового пространственного обтекания ВКС «Буран» химически реагирующим потоком воздуха в условиях движения его по планирующей траектории спуска в атмосфере Земли. Разработанная методика применялась для изучения аэротермодинамики входа космических аппаратов в атмосферу Земли и Марса. Научные результаты в области термохимического взаимодействия потоков плазмы с поверхностью, полученные на уникальном комплексе плазменных установок ВГУ-4 и ВАТ-104, превосходят лучшие аналогичные исследования в России и за рубежом. Научная группа ИОНХ РАН активно внедряет свои наработки в технологии создания высокотемпературных материалов для экстремальных условий эксплуатации, получено 10 патентов РФ. В целом, научные группы ИПМех РАН, ИМех МГУ, ЦАГИ и ИОНХ РАН, предлагающие данный проект, имеют существенные заделы в экспериментальной аэрофизике, вычислительной аэротермодинамике, химии и физике поверхности, что позволит решить все поставленные в проекте задачи на высоком современном уровне.
ИПМехРАН; | Соисполнитель |
ИОНХ РАН | Соисполнитель |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности |
Результаты этапа: Проведено: - численное моделирование течений азота в канале плазмотрона ВГУ-4 в широкой области параметров эксперимента (энерговклада в плазму, расхода газа в разрядном канале, давления в барокамере); - численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением в недорасширенных сверхзвуковых струях азота; - численное моделирование обтекания и теплообмена образцов в форме дисков в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности |
Результаты этапа: Одна из главных целей данной работы заключалась в получении новых экспериментальных данных по теплообмену на водоохлаждаемых моделях различной геометрии в сверхзвуковых недорасширенных струях частично диссоциированного воздуха на 100-киловаттном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4. Эксперименты проведены с использованием водоохлаждаемого конического сопла с диаметром выходного сечения 50 мм, присоединенным к разрядному каналу плазмотрона. Давление в барокамере составляло 8.5 гПа, расход воздуха 3.6 г/с, мощность ВЧ-генератора в диапазоне 50-70 кВт. Экспериментально исследован теплообмен сверхзвуковых недорасширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Для измерения тепловых потоков использовались плоские калориметрические датчики, встроенные в носовую часть модели. При мощностях ВЧ-генератора 50, 55, 60, 64 и 70 кВт получены данные по тепловым потокам с помощью восьми датчиков из различных материалов: золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb) и кварца (SiO2) – три датчика с различной толщиной тепловоспринимающей стенки. Тепловые потоки к поверхностям металлов реализованы в диапазоне 255 – 442 Вт/см2. Наибольшие тепловые потоки зарегистрированы на датчиках из серебра и меди, что свидетельствует о высокой каталитичности их поверхности, причем каталитичность серебра и меди практически одинаковы. Вторая группа материалов – золото, тантал, бериллий и ниобий. Эти материалы оказались близки по уровню зарегистрированных тепловых потоков. Реализуемые потоки для них ниже, чем у меди и серебра. Эти металлы можно отнести к среднекаталитическим. Из металлов, наименьший тепловой поток отмечен у молибдена. Минимальные тепловые потоки реализованы в исследовавшихся режимах на кварцевых датчиках в диапазоне температуры стенки 738 – 1252 K. Молибден и кварц моут быть отнесены к низкокаталитическим материалам. Эксперименты по определению тепловых потоков в дозвуковых режимах плазмотрона ВГУ-4 проводились в струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из цилиндрического канала с диаметром выходного сечения D = 80 мм при давлении в затопленном пространстве 50 гПа, расходе воздуха 2,4 г/c и максимальной мощности ВЧ-генератора по анодному питанию 70 кВт. Тепловые потоки измерялись в окрестности критической точки цилиндрической модели диаметром 50 мм со скругленной кромкой («евромодель»). Расстояние между передней критической точкой модели и срезом сопла составляло 60 мм. В экспериментах использовались датчики тепловых потоков с тепловоспринимающей поверхностью из восьми материалов: медь (Cu), серебро (Ag), тантал (Ta), молибден (Mo), бериллий (Be), ниобий (Nb), золото (Au) и кварц (SiO2). Тепловые потоки зарегистрированы в диапазоне 100 – 237 кВт/см2. Качественно шкалы каталитичности материалов, полученные в дозвуковом и сверхзвуковом режимах обтекания моделей разной геометрии соответствуют друг другу: Cu ~ Ag > Nb ~Au > Ta ~ Be > Mo ~ SiO2. Получены новые экспериментальные данные по ударно-волновым структурам, возникающим при обтекании водоохлаждаемых цилиндрических моделей различной геометрии недорасширенными сверхзвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха. С использованием 2-D модели для высокочастотного электрического поля проведены контрольные расчеты течений воздушной плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 и показано, что по сравнению с квази 1-D моделью уточнение в профилях температуры и скорости в выходном сечении находится в пределах 0.4 – 4%. Установлено, для плазмотрона ВГУ-4 квази-одномерное приближение для усредненной по времени комплексной амплитуды электрического поля обеспечивает достаточную точность при расчетах тепловых потоков при осесимметричном обтекании цилиндрических моделей дозвуковыми струями диссоциированного воздуха. численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением до- и сверхзвуковыми потоками азота и воздуха На индукционном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в дозвуковых струях диссоциированного азота. Измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, а также скоростные напоры при давлении в барокамере 50 гПа и мощности ВЧ-генератора 35–65 кВт. В экспериментах продемонстрирован эффект влияния каталитичности поверхности по отношению к рекомбинации атомов азота на тепловой поток. Для уточненных условий экспериментов выполнено численное моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания цилиндрической модели дозвуковыми струями диссоциированного азота. Проведено сравнение новых экспериментальных данных по тепловым потокам к охлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца с расчетными зависимостями тепловых потоков от эффективного коэффициента рекомбинации атомов азота. На индукционном высокочастотном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного азота при давлении в барокамере 10.4 гПа. При расходах газа 2.4, 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт измерены тепловые потоки к поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм. В сверхзвуковых недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа, истекающих из конического сопла с диаметром выходного сечения 40 мм, измерены тепловые потоки к охлаждаемой поверхности графита МПГ-7 на цилиндрической модели с плоским носком диаметром 20 мм при мощности ВЧ-генератора 45 кВт, расходе газа 2.4 г/с и давлении в барокамере 10.4 гПа. Проведено сравнение тепловых потоков к графиту с предыдущими экспериментальными данными для тепловых потоков к поверхностям серебра, меди, нержавеющей стали и кварца. Установлено, что тепловые потоки к поверхности графита близки к данным для меди и нержавеющей стали, а графит, соответственно, относится к средне каталитическим материалам. Реализован расчетный метод, разработанный ранее в ИПМех РАН, приближенного определения энтальпии he на оси дозвукового потока диссоциированного воздуха в струе, истекающей из разрядного канала ВЧ-плазмотрона. Метод основан на формуле Фея-Риддела для теплового потока к идеально каталитической поверхности, адаптированной к условиям дозвуковых высокоэнтальпийных течений. При расчете энтальпии исходными экспериментальными данными являются измеренные тепловые потоки к водоохлаждаемой поверхности меди и скоростные напоры. С помощью программ Alpha и Beta проведены расчеты эффективного радиуса reff цилиндрической модели с плоским торцом диаметра 20 мм с тремя вариантами геометрии секционированного разрядного канала с диаметром выходного сечения конического насадка D=30, 40, 50 мм для условий экспериментов в диапазоне мощности ВЧ-генератора Nap=20-75 кВт. Проведены также расчеты эффективного радиуса модели reff для базового режима работы плазмотрона ВГУ-4 со стандартным разрядным каналом D=80 мм для линейки моделей - цилиндров с плоским торцом различного диаметра dm от 20 мм до 140 мм. Полученные расчетные зависимости reff (Nap; D) использовались при определении энтальпии дозвуковых потоков диссоциированного воздуха приближенным методом. Проведено сравнение расчетов энтальпии he для условий экспериментов на ВГУ-4 с секционированным разрядным каналом, проведенных с помощью "точного" (на основе программ Alpha, Beta и Gamma,) и приближенного метода на основе модифицированной формулы Фея-Риддела. Показано хорошее, в пределах 5-6%, согласие расчета по приближенному методу с "точным" расчетом по программе Gamma, осуществляющей расчет химически неравновесного пограничного слоя вблизи критической точки модели. На основе результатов численного моделирования и с помощью теории локального моделирования теплообмена, разработанной в лаборатории взаимодействия плазмы и излучения ИПМех РАН, параметры дозвуковых течений высокоэнтальпйного воздуха в индукционном плазмотроне ВГУ-4 (энтальпия hSe, скорость VS) для секционированных разрядных каналов с диаметрами выходного сечения D=30 и 40 мм при давлении P=100 гПа в широком диапазоне мощности Nap = 20 - 75 кВт пересчитаны на условия входа затупленного тела в атмосферу Земли: скорость 5200 – 8800 м/с и высота полета 58 – 67 км. Для модели - цилиндра с плоским торцом диаметром dm=20 мм – определены соответствующие радиусы затупления тела RN, обтекаемого гиперзвуковым потоком воздуха: RN = 0.22 м (D = 30 мм) и RN = 0.47 м (D = 40 мм). На высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 в дозвуковом и сверхзвуковом потоках высокоэнтальпийного воздуха исследовались теплообмен и поведение высокоплотной ультравысокотемпературной керамики HfB2-SiC. Образцы ультравысокотемпературных керамических материалов HfB2-30 об. % SiC, в состав которых входит нанокристаллический карбид кремния с плотностью 7.5±0.5 г/см3, изготовлены методом горячего прессования при сравнительно низкой температуре 1700 С. Предел прочности при сжатии составляет 284 МПа. Анализ микроструктуры (СЭМ) подтвердил отсутствие включений посторонних фаз (непрореагировавшего SiO2). Образцы-таблетки из керамики устанавливались в цилиндрическую модель диаметром 30 мм с полусферическим притуплением с плоским носком диаметром 14 мм. Испытания в дозвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 100 гПа и расходе воздуха 2.4 г/c c использованием конического водоохлаждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 30 мм. Испытания в сверхзвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 16 гПа и расходе воздуха 3.6 г/c c использованием конического водоохлааждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 25 мм. В результате в дозвуковых и сверхзвуковых потоках диссоциированного воздуха индукционного плазмотрона ВГУ-4 в течение 40 мин изучено поведение двух образцов керамических материалов HfB2-30 об. % SiC. Исследование окисленной в результате термохимического воздействия поверхности образцов методами ИК-Фурье-спектроскопии отражения и рентгенофазового анализа свидетельсвуют о значительном изменении ее химического состава. Для образца, подвергшегося воздействию дозвуковых потоков диссоциированного воздуха, отмечено, что основной фазой на поверхности является моноклинный оксид гафния с примесью 3-4 % гафнона HfSiO4. Для образца, испытанного в сверхзвуковом режиме при существенно более мягком термохимическом воздействии (максимальная температура 1600C), содержание фазы HfSiO4 составляет 7-11 % в зависимости от положения проанализированного участка. С применением растровой электронной микроскопии изучена микроструктура окисленной поверхности образцов. Показано, что для образца 30V-sh-5, подвергшегося воздействию дозвукового потока диссоциированного воздуха, в области, температура которой составляла 2600-2700С, сформировался пористый керамический слой HfO2, в то время как в относительно «холодной» области (максимальная температура 1850-1900С) зафиксирован процесс почти полного испарения с поверхности боросиликатного стекла. Для образца же 30V-sh-7 под воздействием сверхзвукового потока высокоэнтальпийного воздуха окисленный слой для более (в центре) и менее высокотемпературных участков (на краю образца) сформировались близкие по микроструктуре картины: на поверхности находятся преимущественно высокодисперсные частицы HfO2, под которым локализован слой боросиликатного стекла. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности |
Результаты этапа: Одна из главных целей данной работы заключалась в получении новых экспериментальных данных по теплообмену на водоохлаждаемых моделях различной геометрии в сверхзвуковых недорасширенных струях частично диссоциированного воздуха на 100-киловаттном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4. Эксперименты проведены с использованием водоохлаждаемого конического сопла с диаметром выходного сечения 50 мм, присоединенным к разрядному каналу плазмотрона. Давление в барокамере составляло 8.5 гПа, расход воздуха 3.6 г/с, мощность ВЧ-генератора в диапазоне 50-70 кВт. Экспериментально исследован теплообмен сверхзвуковых недорасширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Для измерения тепловых потоков использовались плоские калориметрические датчики, встроенные в носовую часть модели. При мощностях ВЧ-генератора 50, 55, 60, 64 и 70 кВт получены данные по тепловым потокам с помощью восьми датчиков из различных материалов: золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb) и кварца (SiO2) – три датчика с различной толщиной тепловоспринимающей стенки. Тепловые потоки к поверхностям металлов реализованы в диапазоне 255 – 442 Вт/см2. Наибольшие тепловые потоки зарегистрированы на датчиках из серебра и меди, что свидетельствует о высокой каталитичности их поверхности, причем каталитичность серебра и меди практически одинаковы. Вторая группа материалов – золото, тантал, бериллий и ниобий. Эти материалы оказались близки по уровню зарегистрированных тепловых потоков. Реализуемые потоки для них ниже, чем у меди и серебра. Эти металлы можно отнести к среднекаталитическим. Из металлов, наименьший тепловой поток отмечен у молибдена. Минимальные тепловые потоки реализованы в исследовавшихся режимах на кварцевых датчиках в диапазоне температуры стенки 738 – 1252 K. Молибден и кварц моут быть отнесены к низкокаталитическим материалам. Эксперименты по определению тепловых потоков в дозвуковых режимах плазмотрона ВГУ-4 проводились в струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из цилиндрического канала с диаметром выходного сечения D = 80 мм при давлении в затопленном пространстве 50 гПа, расходе воздуха 2,4 г/c и максимальной мощности ВЧ-генератора по анодному питанию 70 кВт. Тепловые потоки измерялись в окрестности критической точки цилиндрической модели диаметром 50 мм со скругленной кромкой («евромодель»). Расстояние между передней критической точкой модели и срезом сопла составляло 60 мм. В экспериментах использовались датчики тепловых потоков с тепловоспринимающей поверхностью из восьми материалов: медь (Cu), серебро (Ag), тантал (Ta), молибден (Mo), бериллий (Be), ниобий (Nb), золото (Au) и кварц (SiO2). Тепловые потоки зарегистрированы в диапазоне 100 – 237 кВт/см2. Качественно шкалы каталитичности материалов, полученные в дозвуковом и сверхзвуковом режимах обтекания моделей разной геометрии соответствуют друг другу: Cu ~ Ag > Nb ~Au > Ta ~ Be > Mo ~ SiO2. Получены новые экспериментальные данные по ударно-волновым структурам, возникающим при обтекании водоохлаждаемых цилиндрических моделей различной геометрии недорасширенными сверхзвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха. С использованием 2-D модели для высокочастотного электрического поля проведены контрольные расчеты течений воздушной плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 и показано, что по сравнению с квази 1-D моделью уточнение в профилях температуры и скорости в выходном сечении разрядного канала находится в пределах 0.4 – 4%. Установлено, для плазмотрона ВГУ-4 квази-одномерное приближение для усредненной по времени комплексной амплитуды электрического поля обеспечивает достаточную точность при расчетах тепловых потоков при осесимметричном обтекании цилиндрических моделей дозвуковыми струями диссоциированного воздуха. Проведено численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением до- и сверхзвуковыми потоками азота и воздуха. На индукционном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в дозвуковых струях диссоциированного азота. Измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, а также скоростные напоры при давлении в барокамере 50 гПа и мощности ВЧ-генератора 35–65 кВт. В экспериментах продемонстрирован эффект влияния каталитичности поверхности по отношению к рекомбинации атомов азота на тепловой поток. Для уточненных условий экспериментов выполнено численное моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания цилиндрической модели дозвуковыми струями диссоциированного азота. Проведено сравнение новых экспериментальных данных по тепловым потокам к охлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца с расчетными зависимостями тепловых потоков от эффективного коэффициента рекомбинации атомов азота. На индукционном высокочастотном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного азота при давлении в барокамере 10.4 гПа. При расходах газа 2.4, 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт измерены тепловые потоки к поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм. В сверхзвуковых недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа, истекающих из конического сопла с диаметром выходного сечения 40 мм, измерены тепловые потоки к охлаждаемой поверхности графита МПГ-7 на цилиндрической модели с плоским носком диаметром 20 мм при мощности ВЧ-генератора 45 кВт, расходе газа 2.4 г/с и давлении в барокамере 10.4 гПа. Проведено сравнение тепловых потоков к графиту с предыдущими экспериментальными данными для тепловых потоков к поверхностям серебра, меди, нержавеющей стали и кварца. Установлено, что тепловые потоки к поверхности графита близки к данным для меди и нержавеющей стали, а графит, соответственно, относится к средне каталитическим материалам. Реализован расчетный метод, разработанный ранее в ИПМех РАН, приближенного определения энтальпии he на оси дозвукового потока диссоциированного воздуха в струе, истекающей из разрядного канала ВЧ-плазмотрона. Метод основан на формуле Фея-Риддела для теплового потока к идеально каталитической поверхности, адаптированной к условиям дозвуковых высокоэнтальпийных течений. При расчете энтальпии исходными экспериментальными данными являются измеренные тепловые потоки к водоохлаждаемой поверхности меди и скоростные напоры. С помощью программ Alpha и Beta проведены расчеты эффективного радиуса reff цилиндрической модели с плоским торцом диаметра 20 мм с тремя вариантами геометрии секционированного разрядного канала с диаметром выходного сечения конического насадка D=30, 40, 50 мм для условий экспериментов в диапазоне мощности ВЧ-генератора Nap=20-75 кВт. Проведены также расчеты эффективного радиуса модели reff для базового режима работы плазмотрона ВГУ-4 со стандартным разрядным каналом D=80 мм для линейки моделей - цилиндров с плоским торцом различного диаметра dm от 20 мм до 140 мм. Полученные расчетные зависимости reff (Nap; D) использовались при определении энтальпии дозвуковых потоков диссоциированного воздуха приближенным методом. Проведено сравнение расчетов энтальпии he для условий экспериментов на ВГУ-4 с секционированным разрядным каналом, проведенных с помощью "точного" (на основе программ Alpha, Beta и Gamma,) и приближенного метода на основе модифицированной формулы Фея-Риддела. Показано хорошее, в пределах 5-6%, согласие расчета по приближенному методу с "точным" расчетом по программе Gamma, осуществляющей расчет химически неравновесного пограничного слоя вблизи критической точки модели. На основе результатов численного моделирования и с помощью теории локального моделирования теплообмена, разработанной в лаборатории взаимодействия плазмы и излучения ИПМех РАН, параметры дозвуковых течений высокоэнтальпйного воздуха в индукционном плазмотроне ВГУ-4 (энтальпия hSe, скорость VS) для секционированных разрядных каналов с диаметрами выходного сечения D=30 и 40 мм при давлении P=100 гПа в широком диапазоне мощности Nap = 20 - 75 кВт пересчитаны на условия входа затупленного тела в атмосферу Земли: скорость 5200 – 8800 м/с и высота полета 58 – 67 км. Для модели - цилиндра с плоским торцом диаметром dm=20 мм – определены соответствующие радиусы затупления тела RN, обтекаемого гиперзвуковым потоком воздуха: RN = 0.22 м (D = 30 мм) и RN = 0.47 м (D = 40 мм). На высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 в дозвуковом и сверхзвуковом потоках высокоэнтальпийного воздуха исследовались теплообмен и поведение высокоплотной ультравысокотемпературной керамики HfB2-SiC. Образцы ультравысокотемпературных керамических материалов HfB2-30 об. % SiC, в состав которых входит нанокристаллический карбид кремния с плотностью 7.5±0.5 г/см3, изготовлены методом горячего прессования при сравнительно низкой температуре 1700 С. Предел прочности при сжатии составляет 284 МПа. Анализ микроструктуры (СЭМ) подтвердил отсутствие включений посторонних фаз (непрореагировавшего SiO2). Образцы-таблетки из керамики устанавливались в цилиндрическую модель диаметром 30 мм с полусферическим притуплением с плоским носком диаметром 14 мм. Испытания в дозвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 100 гПа и расходе воздуха 2.4 г/c c использованием конического водоохлаждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 30 мм. Испытания в сверхзвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 16 гПа и расходе воздуха 3.6 г/c c использованием конического водоохлааждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 25 мм. В результате в дозвуковых и сверхзвуковых потоках диссоциированного воздуха индукционного плазмотрона ВГУ-4 в течение 40 мин изучено поведение двух образцов керамических материалов HfB2-30 об. % SiC. Исследование окисленной в результате термохимического воздействия поверхности образцов методами ИК-Фурье-спектроскопии отражения и рентгенофазового анализа свидетельсвуют о значительном изменении ее химического состава. Для образца, подвергшегося воздействию дозвуковых потоков диссоциированного воздуха, отмечено, что основной фазой на поверхности является моноклинный оксид гафния с примесью 3-4 % гафнона HfSiO4. Для образца, испытанного в сверхзвуковом режиме при существенно более мягком термохимическом воздействии (максимальная температура 1600C), содержание фазы HfSiO4 составляет 7-11 % в зависимости от положения проанализированного участка. С применением растровой электронной микроскопии изучена микроструктура окисленной поверхности образцов. Показано, что для образца 30V-sh-5, подвергшегося воздействию дозвукового потока диссоциированного воздуха, в области, температура которой составляла 2600-2700С, сформировался пористый керамический слой HfO2, в то время как в относительно «холодной» области (максимальная температура 1850-1900С) зафиксирован процесс почти полного испарения с поверхности боросиликатного стекла. Для образца же 30V-sh-7 под воздействием сверхзвукового потока высокоэнтальпийного воздуха окисленный слой для более (в центре) и менее высокотемпературных участков (на краю образца) сформировались близкие по микроструктуре картины: на поверхности находятся преимущественно высокодисперсные частицы HfO2, под которым локализован слой боросиликатного стекла. Проведены экспериментальные исследования обтекания и измерены тепловые потоки на поверхности диска из сверх высокотемпературной керамики в аэродинамической трубе ВАТ-104 ЦАГИ в химически неравновесном высокоэнтальпийном сверхзвуковом потоке воздушной плазмы. Для проведения исследования неравновесного теплообмена с моделями разработана методика измерений яркостной температуры и излучательной способности образцов материалов при температурах до 3500 K. Яркостная температура образца измеряется пирометром на базе цифровой ПЗС камеры VS-CTT-285/E/P-2001 на длине волны 890 нм и тепловизором Тандем VS-415U на 650 нм. Спектральная температура и излучательная способность определяются по спектру теплового излучения образца, регистрируемого с помощью спектрографа Ocean Optics USB2000+. Значения излучательной способности и яркостной температуры позволяют определить температуру образца. Спектральная излучательная способность материала также определяется на спектрофотометре SPECORD при комнатной температуре в диапазоне длин волн от 350 до 900 нм. В рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели газовой среды проведено численное моделирование течения в подогревателе, сверхзвуковом сопле и в рабочей части АДТ ВАТ-104, а также обтекания диска из керамики для условий экспериментов. Выполнены параметрические численные исследования неравновесного теплообмена на поверхности диска с теплоизолированной поверхностью при различных значениях каталитической активности его поверхности. Получены распределения радиационно равновесной температуры на теплоизолированной поверхности диска и распределения теплового потока по его поверхности. Сравнение измеренных в экспериментах и полученных в расчетах тепловых потоков на поверхности диска позволило определить каталитическую активность исследуемых образцов сверх высокотемпературной керамики. Константа скорости гетерогенной рекомбинации Kw определена из условия совпадения расчетной величины теплового потока с полученной в эксперименте. Проведенное сопоставление тепловых потоков с наветренной стороны диска для двух режимов работы установки показало их хорошее совпадение с отличием не более 4% при значении константы скорости гетерогенной рекомбинации атомов Kw = 32.5 м/с. Для рассмотренных режимов экспериментов тепловой поток на наветренной поверхности диска в процессе испытания возрастал более, чем в 2.5 раза, из-за образования высококаталитической термобарьерной пленки, вследствие чего его поверхность становилась практически идеально каталитической. Различия экспериментально измеренных и рассчитанных значений температур на наветренной поверхности диска для нескольких пусков установки АДТ ВАТ-104 не превышает 1.5% в центральной его части, увеличиваясь к периферии до 10%. Полученные расчётные и экспериментальные данные хорошо согласуются. Это позволяет использовать исследованные режимы химически чистого высокоэнтальпийного сверхзвукового потока воздушной плазмы с высокими значениями теплового потока до 5 МВт/м2 для методических и промышленных испытаний. |
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".