Новые модели гетерогенного катализа для численного исследования течений и теплообмена в индукционном ВЧ-плазмотроне

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С использованием постадийной гетерогенной кинетики взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностями β-кристобалита и меди выполнено численное моделирование обтекания водоохлаждаемой цилиндрической модели в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха в рамках уравнений Навье—Стокса многокомпонентным неравновесно-диссоциированным воздухом с учетом химических реакций в потоке для условий экспериментов по теплообмену на индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН). Проведено сравнение численных решений по химическому составу газа и по тепловым потокам к поверхности датчиков для различных моделей катализа. Показан вклад процессов диффузии и теплопроводности в тепловой поток к поверхности для различных режимов взаимодействия газа с материалом поверхности. Определена зависимость характеристик течения (химического состава газа на поверхности, степени заполнения поверхности, теплового потока к поверхности) от плотности мест адсорбции, изменение которой позволяет описать весь диапазон граничных условий — от некаталитических до идеально каталитических.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Крупнов

МГУ им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kroupnov@imec.msu.ru
Россия, Москва

М. Ю. Погосбекян

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: pogosbekian@imec.msu.ru
Россия, Москва

В. И. Сахаров

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: sakharov@imec.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Gordeev A.N., Kolesnikov A.F., Yakushin M.I. An Induction Plasma Application to “Buran’s” Heat Protection Tiles Ground Tests // SAMPE Journal. 1992. V. 28. № 3. P. 29−33.
  2. Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Экстраполяция параметров теплообмена модели в недорасширенных струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне на условия обтекания сферы высокоскоростным потоком в земной атмосфере // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. V. 16. № 2.
  3. 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. Механика жидкости и газа. 2016. № 3. P. 110–116.
  4. Васильевский С., Колесников А., Сахаров В. Исследование точности моделирования конвективного теплообмена в дозвуковых струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2020. V. 21. № 2. P. 1–13.
  5. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Сахаров В.И. Течение и теплообмен в недорасширенных струях индукционного плазмотрона // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. МЖГ. 2011. № 4. P. 130–142.
  6. Галкин С. et al. Исследование влияния формы модели на конвективные тепловые потоки к холодной каталитической поверхности в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха в ВЧ-плазмотроне // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. V. 22. № 3. P. 21–30.
  7. Романовский Б.В. Основы катализа. Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 1–172 p.
  8. Temkin M.I. The transition state in surface reaction // Acta Physicochimika. 1938. V. 8. № 2. P. 141–170.
  9. Kovalev V.L., Kroupnov A.A., Vetchinkin А.S. Quantum mechanics calculation of catalytic properties of a copper sensor for prediction of flow characteristics in plasmatron // Acta Astronaut. 2015. V. 117. P. 408–413.
  10. 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. V. 24. № 4. P. 1–16.
  11. Kroupnov A.A., Pogosbekian M.J. Interaction of dissociated air with the surface of β-cristobalite material // Acta Astronaut. 2023. V. 203. P. 454–468.
  12. Чаплыгин А. et al. Экспериментальное и численное исследование теплового эффекта катализа на поверхностях металлов и кварца в недорасширенных струях диссоциированного воздуха // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. V. 19. № 4. P. 1–11.
  13. Afonina N.E., Gromov V.G., Sakharov V.I. HIGHTEMP technique of high temperature gas flows numerical simulations // Proc. 5th Europ. Symp. on Aerothermodyn. Spase Vehicles. Cologne, 2004. P. 323–328.
  14. Сахаров В.И. Численное моделирование термически и химически неравновесных течений и теплообмена в недорасширенных струях индукционного плазмоторона // Изв. РАН Механика жидкости и газа. 2007. № 6. P. 157–168.
  15. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. Термодинамические свойства индивидуальных веществ/3rd ed. М.: Наука, 1978.
  16. Park C. et al. Review of chemical-kinetic problems of future NASA missions. II — Mars entries // J Thermophys Heat Trans. 1994. V. 8. № 1. P. 9–23.
  17. Losev S., Makarov V., Nikolsky V. 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.
  18. Лосев С., Макаров В., Погосбекян М. Модель физико-химической кинетики за фронтом очень сильной ударной волны в воздухе // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1995. № 2. P. 169–182.
  19. Ибрагимова Л.Б., Смехов Г.Д., Шаталов О.П. Константы скорости диссоциации двух-атомных молекул в термически равновесных условиях // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1999. № 1. P. 181–186.
  20. Hirschfelder J.O., Curtiss C.F., Bird R.B. The Molecular Theory of Gases and Liquids. New York: John Willey and Sons, 1954. 1219 p.
  21. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hil, 1977. 688 p.
  22. Васильевский, С.А. Колесников А.Ф. Численное моделирование течений равновесной индукционной плазмы в цилиндрическом канале плазмотрона // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2000. № 5. P. 164–173.
  23. Kroupnov A.A., Pogosbekian M.J. The influence of heterogeneous catalytic processes on the heat flux to the surface and the chemical composition of the shock layer at high-speed flow around blunt bodies // Acta Astronaut. 2024. V. 219. P. 517–531.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расчетная область при численном моделировании течения в плазмотроне ВГУ-4 при обтекании модели с плоским датчиком. Показано распределение локального числа маха M.

Скачать (42KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость коэффициента скорости адсорбции kad атомов азота и кислорода на поверхностях Cu2O и SiO2 от температуры поверхности.

Скачать (257KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость коэффициента скорости десорбции kdes атомов азота и кислорода на поверхности Cu2O и SiO2 от температуры поверхности.

Скачать (248KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость коэффициента скорости ударной рекомбинации ker атомов азота и кислорода на поверхности Cu2O и SiO2 от температуры поверхности.

Скачать (296KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Тепловой поток к поверхности датчиков SiO2 и Cu2O в зависимости от плотности мест адсорбции S0: 1 — идеально каталитическая поверхность, 2 — некаталитическая поверхность, 3 — SiO2, 4 — Cu2O, 5 — SiO2 эксперимент, 6 — SiO2 S0*, 7 — Cu2O S0*.

Скачать (169KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вклады в тепловой поток для поверхностей SiO2 (а) и Cu2O (б) за счет теплопроводности и диффузии: 1 — полный тепловой поток, 2 — вклад теплопроводности, 3 — некаталитическая поверхность.

Скачать (284KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Концентрации газофазных компонент на поверхностях SiO2 (а) и Cu2O (б) в зависимости от плотности мест адсорбции S0.

Скачать (379KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Скорость возникновения молекулярных газофазных компонент в результате гетерогенных реакций на поверхностях SiO2 (а) и Cu2O (б) в зависимости от плотности мест адсорбции S0.

Скачать (307KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Степени заполнения поверхностей SiO2 (а) и Cu2O (б) адсорбированными атомами кислорода и азота в зависимости от плотности мест адсорбции S0.

Скачать (339KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024