Теплообмен и визуализация течения на поверхности медной пластины при ее обтекании струями воздушной плазмы
Авторы: Гордеев А.Н., Чаплыгин А.В.
Опубликовано в выпуске: #9(105)/2020
DOI: 10.18698/2308-6033-2020-9-2019
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
В ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 ИПМех РАН экспериментально исследован теплообмен дозвукового потока воздушной плазмы, истекающего из водоохлаждаемого щелевого сопла с размерами выходного сечения 40 × 8 мм, с поверхностью медной пластины под углом атаки. С помощью медных нестационарных калориметрических датчиков получены распределения тепловых потоков вдоль оси симметрии пластины 50 × 50 мм в зависимости от мощности анодного питания ВЧ-генератора плазмотрона и угла атаки. Предложен и протестирован метод визуализации течения у поверхности пластины под углом атаки, основанный на процессе вдува ацетилена в пограничный слой. Получены спектр воздушной плазмы и спектр воздушной плазмы при вдуве в поток ацетилена через отверстия на поверхности пластины. При вдуве в основной поток ацетилена был отмечен существенный рост излучения циана (CN), а также наблюдались полосы Свана.
Литература
[1] Harris R., Stewart M., Koenig W. Thermal Protection Systems Technology Transfer from Apollo and Space Shuttle to the Orion Program. 2018 AIAA SPACE and Astronautics Forum and Exposition, 2018, art. 5134.
[2] Laub B., Venkatapathy E. Thermal protection system technology and facility needs for demanding future planetary missions. Planetary Probe Atmospheric Entry and Descent Trajectory Analysis and Science, 2004, vol. 544, pp. 239‒247.
[3] Milos F.S., Gasch M.J., Prabhu D.K. Conformal phenolic impregnated carbon ablator arcjet testing, ablation, and thermal response. Journal of Spacecraft and Rockets, 2015, vol. 52, no. 3, pp. 804‒812.
[4] Vasil’evskii S.A., Gordeev A.N., Kolesnikov A.F. Local modeling of the aerodynamic heating of the blunt body surface in subsonic high-enthalpy air flow. Theory and experiment on a high-frequency plasmatron. Fluid Dynamics, 2017, vol. 52, no. 1, pp. 158‒164.
[5] Жестков Б.Е. Комплекс стендов с индукционными подогревателями газа. Вестник Казанского технологического университета, 2011, №. 19, с. 63–69.
[6] Owens W.P., Uhl J., Dougherty M., Lutz A., Meyers J., Fletcher D.G. Development of a 30 kW inductively coupled plasma torch for aerospace material testing. 10th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, 2010, art. 4322.
[7] Bottin B., Chazot O., Carbonaro M., Van der Haegen, V., Paris S. The VKI plasmatron characteristics and performance. von Karman Inst for Fluid Dyna-mics Rhode-Saint-Genese (Belgium), 2000.
[8] Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Высокочастотные индукционные плазмотроны серии ВГУ. Сб. Актуальные проблемы механики: Физико-химическая механика жидкостей и газов. Москва, Наука, 2010, с. 151–177.
[9] Гордеев А.Н., Чаплыгин А.В. Теплообмен в высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 при использовании щелевых сопел. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, вып. 2. DOI: 10.18698/2308-6033-2020-2-1953
[10] Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Новые режимы течения и теплообмена плазмы в высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2008, т. 7. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/453/ (дата обращения 04.07.2020).
[11] Гордеев А.Н., Чаплыгин А.В. Экспериментальное исследование тепло-обмена диссоциированного потока воздуха с плоской пластиной под углом атаки в ВЧ-плазмотроне. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2019, т. 20, вып. 1. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2019-20-1/articles/780/ (дата обращения 04.07.2020).
[12] Чаплыгин А.В., Васильевский С.А., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Новые режимы теплообмена в высокочастотном мегаваттном индукционном плазмотроне ВГУ-3. XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2019, с. 921‒922.
[13] ASTM E457-08(2015), Standard Test Method for Measuring Heat-Transfer Rate Using a Thermal Capacitance (Slug) Calorimeter. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015. URL: https://www.astm.org/Standards/E457.htm (дата обращения 04.07.2020).
[14] Boulos M.I. Visualization and diagnostics of thermal plasma flows. Journal of Visualization, 2001, vol. 4, no. 1, pp. 19‒28.
[15] Cipullo A., Helber B., Panerai F., Zeni L., Chazot O. Investigation of freestream plasma flow produced by inductively coupled plasma wind tunnel. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2014, vol. 28, no. 3, pp. 381‒393.
[16] Yakushin M.I., Pershin I.S., Kolesnikov A.F. An experimental study of stagnation point heat transfer from high-enthalpy reacting gas flow to surface with catalysis and gas injection. European Space Agency-Publications-ESA SP, 2002, vol. 487, pp. 473‒480.
[17] Uhl J., Owens W., Dougherty M., Lutz A., Meyers J., Fletcher D. Pyrolysis simulation in an icp torch facility. 42nd AIAA Thermophysics Conference, 2011, art. 3618.
[18] Vancrayenest B., Tran M.D., Fletcher D.G. Stagnation Point Heat Transfer with Gas Injection Cooling. Fifth European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 2005, vol. 563, p. 75.
[19] Herzberg G. The spectra and structures of simple free radicals: an introduction to molecular spectroscopy. Courier Corporation, 1988, р. 226.
[20] Kramida A., Ralchenko Yu., Reader J. and NIST ASD Team. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2019. DOI: 10.18434/T4W30F