Determination of the heat flux value behind the reflected CO2 shock wave
The paper considers the combined application of numerical calculation and experimental determination of parameters behind a reflected shock wave. A description of a shock tube for experiments is presented, including installed pressure and heat flux sensors that register a signal during the passage of a shock wave. Based on the sensor readings, the velocity of the front is determined, as well as the heat flux at the end of the pipe. The method of gas dynamic calculation is based on the joint application of a system of conservation equations, which makes it possible to determine the parameters behind the wave (both direct and reflected), as well as the determining the change in the concentra-tion of the components of the mixture formed as a result of the passage of the front. The calculation results are compared with experimental data.
shock tube, shock wave, experiment, heat flux sensor, system of conservation equations, gas dynamics
В работе рассматривается совместное применение численного расчета и экспери-ментального определения параметров за отраженной ударной волной (УВ). Пред-ставлено описание ударной трубы (УТ) для проведения экспериментов, включая установленные датчики давления и теплового потока, регистрирующие сигнал в процессе прохождения ударной волны. На основании показаний датчиков опреде-ляется скорость движения фронта, а также тепловой поток в торце трубы. Метод газодинамического расчета основан на совместном применении системы уравнений сохранения, которая позволяет определить параметры за волной (как прямой, так и отраженной), а также условий, определяющих изменение концентра-ции компонентов смеси, образовавшейся в результате прохождения фронта. Тепло-вой поток определяется на основании решения уравнения теплопроводности. Ре-зультаты расчета сравниваются с экспериментальными данными.
1. Hu F., et al. A review on research progress of large area thermal protection structures for hypersonic vehicles. // Acta Astronaut. 2025. V. 232. P. 541-556. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2025.04.006 2. Суржиков С.Т., Яцухно Д.С. Анализ летных данных по конвективному и радиаци-онному нагреву поверхности спускаемого марсианского космического аппарата Schiaparelli. // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 74. https://doi.org/10.31857/S0568528122600394 3. Johnson C.O., Hollis B.R., Sutton K. Nonequilibrium stagnation-line radiative heating for Fire II. // J. Spacecraft Rockets 2008. V. 45. P. 1185. https://doi.org/10.2514/1.33008 4. Reyner P. Survey of high-enthalpy shock facilities in the perspective of radiation and chemical kinetics investigations. // Prog. Aerospace Sci. 2016. V. 85. P. 1–32. https://doi.org/10.1016/j.paerosci-2016.04.002 5. Козлов П.В., и др. Исследование характеристик ударно нагретых газов на экспери-ментальном комплексе ЭКУД (Юбилейный). // Физико-химическая кинетика в газо-вой динамике, 2024. V. 25(6):1–32. 6. Brandis A.M., Cruden B.A. Benchmark Shock Tube Experiments of Radiative Heating Relevant to Earth Re-entry. // AIAA Paper 2017-1145. https://doi.org/10.2514/6.2017-1145 7. Lino da Silva M. et al. European shock-tube for high enthalpy research: Design and instru-mentation, manufacturing, and acceptance testing. // AIAA Paper 2020-0624. https://doi.org/10.2514/6.2020-0624 8. Kozlov P.V. et al. Radiation properties of air behind strong shock wave. // Acta Astronaut. 2024. V. 214. P. 303315. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.10.033 9. Hanson R.K., Davidson D.F. Recent advances in laser absorption and shock tube methods for studies of combustion chemistry. // Prog. Energy Combust. Sci. 2014. V. 44. P. 103114. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2014.05.001 10. Ibragimova L.B. et al. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000–10800 K. // J. Chem. Phys. 2013. V. 139. No. 034317. https://doi.org/10.1063/1.4813070 11. Camac M., Feinberg R.M. Thermal conductivity of argon at high temperatures. // Journal of Fluid Mechanics. 1965. V. 21, № 4. P. 673-688. Doi:10.1017/S0022112065000411 12. Поляков Ю.А. Исследование теплообмена при отражении ударной волны. // Тепло-физика высоких температур. 1965. Т. 3, №6. С. 879–888. 13. Kuribayashi, T., et al. Heat flux measurement over a cone in a shock tube flow. // Shock Waves. 2007. V. 16, P. 275–285. https://doi.org/10.1007/s00193-006-0068-4 14. Сапожников С.З., Митяков М.Ю., Митяков А.В. Измерение нестационарных тепло-вых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута. // Журнал технической физики. 2004. Т. 74, №7. С. 114-120. 15. Сапожников С.З, и др. Градиентная теплометрия в ударных трубах: методика и пер-вые результаты. // Современная наука. 2011. №2 (7). С. 172-177. 16. Popov P.A., et al. Heat flux measurement at the initial phase of normal shock wave reflec-tion using the sensor on anisotropic thermoelements. // Journal of Physics: Conference Se-ries. 2020. V. 1697. P. 012225. Doi: 10.1088/1742-6596/1697/1/012225 17. Добров Ю.В., Лашков В.A. Измерение тепловых потоков на стенке ударной трубы. // Журнал технической физики. 2022. Т. 92, №9. С. 1327-1333 18. Котов М. А., и др. Регистрация радиационного теплового потока в ударной трубе с помощью термоэлектрического детектора. Письма в Журнал технической физики, 49(17):36, 2023. 19. Kotov M. A., et al. Thermoelectric detector application for measuring the ignition delay time in a shock heated combustible mixture. Acta Astronautica, 204:787–793, 2023. 20. Kotov M.A., et al. Performance assessment of thermoelectric detector for heat flux meas-urement behind a reflected shock of low intensity. // Applied Thermal Engineering. 2021, V. 195, 117143, DOI:10.1016/j.applthermaleng.2021.117143 21. Быкова Н.Г. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование абсорбцион-ных свойств ударно нагретого кислорода. //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2024. Т. 25. № 3. С. 1-14. 22. Черный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука. 1988. 23. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.
