Heat exchange of dissociated air jets with the surface of materials SiO2 and SiC at different temperatures of their surfaces
Heat transfer of a water-cooled cylindrical model with a rounded edge and a flat blunt nose in underexpanded jets of dissociated air is considered during numerical simulation of the flow past it using the Navier-Stokes equations with multicomponent nonequilibrium dissociated air, taking into account chemical reactions in the flow and on the surface. The studies were conducted in underexpanded jets of high-enthalpy air flowing from a water-cooled conical plasma torch nozzle with an exit cross-section diameter of 50 mm at a submerged pressure of 8.5 hPa, an air flow rate of 3.6 g/s, and an anode supply power of the plasma torch RF generator of 64 kW. Heat transfer was calculated with a flat heat-absorbing surface made of SiO2 and SiC in the model nose. The distance between the forward stagnation point of the models and the nozzle exit section varied from 25 mm to 60 mm. The surface temperature of the models was varied: Tw=849K, Tw=1000K, Tw=1500K. Satisfactory agreement was obtained between the calculated data on the heat flux densities at the stagnation point with an effective heterogeneous recombination coefficient of γw=0.005 (in the Goulard model) at low surface temperatures and at a fixed S0=1014 (the number of adsorption sites per unit surface area in the model of stepwise heterogeneous kinetics of the interaction of dissociated air with SiO2 and SiC surfaces). Both models use one free parameter. Increasing the surface temperature of the model to Tw=1500K, agreement between the calculated data on the heat flux densities at the stagnation point requires an increase in the effective heterogeneous recombination coefficient to γw~0.01 in Gulard diffusion model, and the surface ceases to be non-catalytic.
Рассмотрен теплообмен водоохлаждаемой цилиндрической модели диаметром 20 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части в недорасширенных струях диссоциированного воздуха при численном моделировании ее обтекания в рамках уравнений Навье - Стокса многокомпонентным неравновесно диссоциированным воздухом с учетом химических реакций в потоке и на поверхности. Исследования проводились в недорасширенных струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из водоохлаждаемоего конического сопла плазмотрона с диаметром выходного сечения 50 мм при давлении в затопленном пространстве 8.5 гПа, расходе воздуха 3.6 г/c и мощности ВЧ-генератора плазмотрона по анодному питанию 64 кВт. Теплообмен рассчитывался с плоской тепловоспринимающей поверхностью из SiO2 и SiC в носовой части модели. Расстояние между передней критической точкой моделей и срезом сопла варьировалось в пределах от 25 мм до 60 мм. Температура повоерхности моделей варьировалась: Tw=849K, Tw=1000K, Tw=1500K.. Получено удовлетворительное согласие расчетных данных по плотностям тепловых потоков в точке торможения при эффективном коэффициенте гетерогенной рекомбинации γw = 0.005 (в модели Гуларда) при малых значениях температур поверхностей и при фиксированном S0 = 1014 (количестве мест адсорбции на единицу площади поверхности в модели постадийной гетерогенной кинетики взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностями из SiO2 и SiC). В обеих моделях используется по одному свободному параметру. Увеличение температуры поверхности моделеи до Tw=1500K согласие расчетных данных по плотностям тепловых потоков в точке торможения требует увеличения эффективного коэффициента гетерогенной рекомбинации до γw ~ 0.01 и поверхность перестает быть некаталитической.
диссоциированный воздух, гетерогенный катализ, теплообмен, ВЧ-плазмотрон, β-кристобалит, карбид кремния, плотность адсорбционных центров, температура поверхности.
1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F. High-Frequency Induction Plasmatrons of the VGU Series // Topical Problems inMechanics. Physico-ChemicalMechanics of Liquids and Gases (in Russian). Moscow: Nauka, 2010. P. 151. 2. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Подобие теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне и при обтекании сферы высокоскоростным потоком в земной атмосфере // Изв. РАН МЖГ. № 3. 2016. с. 110-116. 3. Сахаров В.И. Численное моделирование течений в индукционном высокочастотном плазмотроне и теплообмена в недорасширенных струях воздуха//Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика, издательство Изд-во Моск. ун-та (М.), № 3, с. 61-64. 4. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных неравновесных струях индукционного плазмотрона// Изв. РАН МЖГ. № 4. 2011. С. 130-142. 5. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона// Изв. РАН МЖГ. № 6. 2007. № 6, с. 157-168. 6. Afonina N.E., Gromov V.G., Sakharov V.I. HIGHTEMP technique of high temperature gas flows numerical simulations // Proc. 5th Europ. Symp. on Aerothermodyn. Space Vehicles. Cologne, 2004. P. 323–328. 7. Losev S.A. et al. Thermochemical nonequilibrium kinetic models in strong shock waves on air // 6th Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1994. 8. Лосев С., Макаров В., Погосбекян М. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1995. № 2. P. 169–182. 9. Gurvich L. V., Veyts I. V., Alcock C.B. Thermodynamic Properties of Individual Substances. Begell House Inc., 1994. 10. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hil, 1977. 688 p. 11. Park C. et al. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II - Mars entries // J. Thermophys. Heat Transf. 1994. Vol. 8, № 1. P. 9–23. 12. Goulard R. On Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation Heat Transfer // J. Jet Propuls 1958. Vol. 28, № 11. pp. 737–745. 13. Крупнов А. А., Погосбекян М. Ю., Сахаров В. И. Разработка и применение моделей катализа в задачах высокоскоростного обтекания затупленных тел потоком диссоциированного воздуха // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2024. Том 25, вып. 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2024-25-6/articles/1161 14. Крупнов А. А., Погосбекян М. Ю., Сахаров В. И. Применение моделей гетерогенного катализа при решении задач струйного обтекания моделей из меди для условий экспериментов на индукционном ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Том 24, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-4/articles/1060/ 15. Гиршфелдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с. 16. Крупнов А. А., Погосбекян М. Ю , В. И. Сахаров Взаимодействие диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитных материалов SiO2 и SiC для условий экспериментов в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2025. Том 26, вып. 7. http://chemphys.edu.ru/issues/2025-26-7/articles/1219/ 17. Reid R. C., Prausnitz J. M., Sherwood T. K. The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, N. Y.: 1977. 688 p. 18. Колесников А. Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2000. № 5. C. 164–173. 19. Сахаров В.И. Теплообмен струй диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитных материалов SiO2 и SiC // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2026 Т.27(2. ) http://chemphys.ipmnet.ru/issues/2026-27-2/articles/1272/
