Вопросы локального моделирования термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с поверхностью

рОС.'\:--ОК.ЛЯ
’-’-“згіидя
WbTlHOTEKA
^ 11106 -ô -ou
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....
7
ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТАЛИТИЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ КАК ЗАДАЧА ПЕРЕНОСА ЛАБОРАТОРНЫХ ДАННЫХ ПО ТЕПЛООБМЕНУ НА УСЛОВИЯ ГИПЕРЗВУКОВОГО ПОЛЕТА....................................................17
1.1. Исследования каталитичности ТЗМ в потоках диссоциированных газов....17
1.2. Взаимосвязь задач восстановления каталитичностн ТЗМ и термохимического моделирования.......................................30
1.3. О преимуществах дозвуковых течений для исследования
каталитичности материалов............................................36
1.4. Задачи численного моделирования дозвуковых высокоэнталышйных
течений..............................................................41
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С ПЛОСКИМ ТОРЦОМ (ПЛОСКОСТИ) ДОЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ ВЯЗКОГО ДИССОЦИИРОВАННОГО ГАЗА...........................................47
2.1. Постановка задачи...................................................47
2.2. Струйное обтекание цилиндра нереагирующим газом..................... 50
2.3. Струйное обтекание цилиндрической модели диссоциированным азотом 51
2.4. Задача о натекании дозвуковой струи диссоциированного
азота на плоскость...................................................55
2.5. Сверхравновссный наїрев каталитического участка поверхности теплозащитной плитки в дозвуковой струе диссоциированного газа.....................58
2.6. Особенности теплообмена при малых числах Маха и Рейнольдса..........64
з
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ В ОКРЕСТНОСТИ КРИ ТИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ПОВЕРХНОСТИ, ОБТЕКАЕМОЙ ДОЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ ГАЗА..................................................67
3.1. Уравнения пограничного слоя конечной толщины в переменных Дородницына.........................................................67
3.2. Асимптотический анализ уравнения импульсов при Re->«................69
3.3. Постановка задачи о неравновесном пограничном слое конечной толщины.71
3.4. Верификация модели пограничного слоя конечной толщины...............72
3.5. Градиент скорости и эффективный радиус в критической
точке осесимметричного тела, обтекаемого дозвуковым потоком...........75
ГЛАВА 4. ТЕПЛООБМЕН И РАСЧЕТНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАТАЛИТИЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ В ДОЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ДИССОЦИИРОВАННЫХ ГАЗОВ...................................................78
4.1. Предварительные оценки теплового эффекта каталитической рекомбинации атомов в дозвуковом потоке диссоциированного воздуха...78
4.2. Метод карт тепловых потоков.........................................80
4.3. Определение эффективной вероятное™ гетерогенной рекомбинации атомов в условиях влияния газофазных реакций на тепловой поток...............86
4.4. Теплообмен и восстановление каталитичности поверхности в дозвуковых потоках диссоциированного воздуха и кислорода...............................94
4.5. Об оптимальных режимах эксперимента и точности определения у*......102
4.6. Механизм "аномального" увеличения теплового потока на поверхности титана
при вдуве кислорода в неравновесный пограничный слой азога..........108
ГЛАВА 5. КРИТЕРИИ ЛОКАЛЬНОГО ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПЕРЕНОС ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТА НА УСЛОВИЯ
ГИПЕРЗВУКОВОГО ПОЛЕТА...................................................115
5.1. Задача локального аэротермохимического моделирования...............115
5.2. Критерии локального термохимического моделирования в высокоэнтальпмйных дозвуковых течениях.............................117
4
5.3. Анализ термохимического моделирования в дозвуковых потоках плазмотрона ВГУ-2..................................................122
5.4. Анализ точности моделирования гнперзвукового теплообмена в дозвуковых струях диссоциированных газов......................................128
5.5. Условия термохимического моделирования в сверхзвуковых потоках.....141
5.6. Об области применимости критериев локального моделирования.........144
ГЛАВА 6. ТЕРМОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ДОЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ДИССОЦИИРОВАННОГО УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ДЛЯ УСЛОВИЙ ВХОДА В АТМОСФЕРУ МАРСА.................................................147
6.1. Расчетное восстановление эффективных вероятностей каталитических реакций на поверхностях ТЗМ и кварца в диссоциированном
углекислом газе.....................................................147
6.2. Алгоритм определения параметров термохимического моделирования
в дозвуковом потоке плазмотрона.....................................158
6.3. Анализ точности моделирования в дозвуковом потоке теплопередачи
к аппарату "Mars Probe" в критической точке.........................161
6.4. Определение катал итичности теплозащитного покрытия в условиях, моделирующих натурный нагрев.............................•„........164
6.5. Анализ условий локального моделирования для
аппарата "Мать Pathfinder"..........................................167
ГЛАВА 7. ЭФФЕКТИВНАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И
МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В ИОНИЗОВАННЫХ
ГАЗАХ..................................................................171
7.1. Специфика и трудности расчета коэффициентов переноса ионизованных многокомпонентных газов............................................171
7.2. Исходная система уравнений переноса с учетом высших приближений
по полиномам Сонина.................................................172
7.3. Тепловой поток и соотношения Стефана - Максвелла для диффузионных потоков в многокомпонентной двухтемперату рной плазме..............174
5
7.4. Соотношения Стефана - Максвелла для амбнполярной диффузии двухтемпературной плазмы в отсутствие магнитного поля..........180
7.5. Об эффектах баротермодиффузии в слабо ионизованном
вязком ударном слое............................................185
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................193
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................199
ТАБЛИЦЫ...........................................................231
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.....................................233
6
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена систематическому и детальному исследованию вопросов моделирования термохимического втаимодсйствия высокоэнтальпинных дозвуковых потоков газов с поверхностью с учетом химических реакций в пограничном слое и гетерогенных каталитических реакций рекомбинации атомов в условиях, реализуемых на индукциоипых (безэлектродных) плазмотронах. Работа инициирована в конце 70-ых годов в связи с проблемой взаимодействия высокотемпературного химически активного диссоциированного воздуха с теплозащитными материалами воздушно-космичекого самолета "Буран" при спуске с орбиты. В 90-ыс годы исследования по данной теме были стимулированы поисками возможности снижения аэродинамического нагрева аппаратов, предназначенных для полетов на Марс, за счет применения низко каталитических теплозащитных покрытий,
Диссертация направлена на исследование роли гетерогенной рекомбинации атомов в аэродинамическом нагреве поверхности пшерзвуковых летательных аппаратов, на определение количественных характеристик высокотемпературного катализа на теплозащитных покрытиях из экспериментальных данных по теплообмену, полученных на индукционных плазмотронах. Изучены вопросы о соответствии условий и результатов исследований теплообмена и каталитичности материалов в дозвуковых высокоэнтальпийных потоках азота, воздуха, кислорода и углекислого газа парамеграм нагрева поверхности в критической точке тел, движущихся с гиперзвуковой скоростью на больших высотах в атмосферах Земли и Марса. Рассмотрены некоторые новые вопросы моделироватптя переноса тепла и диффузии в многокомпонентной неравновесной плазме.
Актуальность темы. Лабораторное моделирование условии аэродинамического нагрева космических аппаратов при спуске с орбиты является необходимым этапом разработки систем тепловой зааигты Современные высокоэнтальнийные газодинамические установки не позволяют осуществить полное моделирование всех факторов, влияющих на движение и нагрев аппарата при входе в атмосферу с гиперзвуковой скоростью Поэтому принципиатьио важно решение вопросов о соответствии параметров газовых потоков и неравновесных процессов, реализуемых в экспериментатьных установках, натурным условиям, определяющим
7
термохимическое воздействие нагретого газа ударного слоя на тепловато зашит>' аппарата.
Для систем тепловой зашиты летательных аппаратов многоразового использования "Space Shuttle" и "Буран" в части термохимического моделирования впервые потребовалось: 1) прогнозирование термохимической стойкости материала к мноюкратному длительному воздействию на него химически активного атомарного кислорода и 2) определение каталитической активности покрытия по отношению к гетерогенным реакциям рекомбинации атомов кислорода и азота. Для бороенлнкатного покрытия теплозащитной плитки и противоокислителыюго покрытия материала углерод-углерод, использованных в тепловой защите "Бурана", эти задачи решались в ИПМ РАН на индукционных плазмотронах ВГУ, в ЦНИИМаш - на установке У-13ВЧГ1 и в ЦЛГИ - на установке ВАТ-104. Эти установки с высокочастотным нагревом позволяют получать потоки чистого диссоциированного воздуха с натурными значениями энтальпии и давления торможения для теплонапряженных участков траекторий аппаратов планирующего спуска.
Скорость каталитической рекомбинации атомов на теплозащитном покрытии является наиболее неопределенным фактором теплообмена при полете гиперзвукового аппарата на больших высотах. Например для "Бурана", тепло, выделяемое на поверхности при рекомбинации атомов кислорода и азота, вносило неопределенность в расчеты температуры носка фюзеляжа до 300 К. Поэтому эффективность гетерогенной рекомбинации атомов при натурных (высоких) температурах поверхности входит в число технических характеристик теплозащитных материалов многоразового использования и должна определяться в лабораторных условиях, максимально приближенных к натурным.
Указанные задачи термохимического моделирования остаются актуальными дтя разработки перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов, в том числе предназначенных для полетов на Марс. Их эффективное решение возможно только во взаимодействии эксперимента и теории, задачей которой в широком плане является преодоление известного разрыва в объеме и уровне аналитических и численных исследований в современной гиперзвуковой аэродинамике и экспериментальной аэрофизике Для анализа и планирования современного аэротсрмохимического эксперимента, а также повышения его качества, информативности и надежности
я
необходимо: 1) построение физико-математических моделей течений газов и плазмы в аэрофизичсских установках. 2) разработка численных методов, учитывающих геометрические и физические особенности этих течении и 3) развитие теории моделирования. Это полностью относится к исследованиям высокоэнтальпийных дозвуковых течений газов и теплообмена в индукционных плазмотронах серии В ГУ, которые были созданы в ИПМ РАН под руководством М И. Якушина и более 30 лет используются для исследований и испытаний материалов и элементов тепловой защиты космических аппаратов.
Для практики требуется обоснование переноса данных по каталитической активности и термохимической стойкости теплозащитных покрытий, полученных на индукционных плазмотронах в дозвуковых потоках воздуха и углекислого газа, на условия входа аппаратов в атмосферы Земли и Марса с гиперзвуковымн скоростями. Для этого необходимо установление критериев моделирования и нахождение законов подобия термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с поверхностью.
К рассматриваемой теме относится до сих пор мало изученная задача о течении термически и химически неравновесной плазмы молекулярного газа в высокочастотном электромагнитном поле разрядного канала индукционного плазмотрона До настоящего времени не объяснены некоторые "аномальные" эффекты, которые наблюдались в ударных волнах, распространяющихся в слабо ионизованных газах. Одним из сложных и неразработанных аспектов, общим для этих весьма различных течений, является строгая и, в тоже время, поддающаяся эффективной численной реализации модель многокомпонентной диффузии в неравновесной плазме.
Цели работы:
• Исследование высокоэнтальпийных дозвуковых струйных течений химически реагирующих газов н теплообмена для характерных условий экспериментов в индукционных плазмотронах.
• Расчетное восстановление эффективных вероятностен гетерогенной рекомбинации атомов N. О, молекул СО на теплозащитных покрытиях при высоких натурных температурах поверхности на основе анализа экспериментальных данных по теплообмену в дозвуковых потоках диссоциированных газов.
9
• Разработка теории локального моделирования термохимического взаимодействия гиперзвукового потока с поверхностью в критической точке затупленных тел для условий входа в атмосферы Земли и Марса.
• Построение строгой модели многокомпонентной диффузии и переноса тепла в двухтемпературной плазме; исследование роли баро- и термодиффузии в сверхзвуковых течениях слабо ионизованных газов.
Па защиту выносятся следующие положения н результаты:
• Закономерности и особенное™ неравновесных течений диссоциированных газов и теплообмена при малых числах М и Re.
• Решение задачи о натекании дозвуковой струи вязкого диссоциированного азота на плоскость с однородной и разрывной каталитичностью для условий эксперимента на мсгаваттном плазмотроне ВГУ-3.
• Эффективный численный метод расчета тепловых потоков в критической точке цилиндрической модели с плоским затуплением (плоскости), обтекаемой дозвуковым потоком диссоциированного газа.
• Расчетная методика восстановления параметров дозвуковых течений диссоциированных газов и эффективных вероятностей рекомбинации атомов на поверхности по тепловым потокам в условиях влияния газофазных реакций в пограничном слое на теплообмен.
• Результаты многопараметрических расчетов теплообмена в дозвуковых потоках диссоциированных газов (азот, воздух, кислород, углекислый газ) для экспериментов, выполненных на плазмотронах В ГУ-2 и ВГУ-4; полученные на их основе эффективные вероятности (константы скоростей) рекомбинации атомов N. О и молекул СО на поверхностях металлов (]f*=300 К), кварца (7"„=350-1470 К), на боросиликатном плиточном покрытии (7»s 900-1670 К) и противоокислителыюм покрытии материала углерод-углерод (Тн= 1420-1850 К), использованных в системе тепловой защиты "Бурана".
• Термохимическая модель механизма "аномального" увеличения теплового потока при вдувс кислорода с поверхности титана в пограничный слой диссоциированного азота.
• Критерии подобия неравновесного пограничного слоя потока диссоциированного газа в критической гонке затупленного тела в широком диапазоне чисел Маха, их
ю
конструктивность и полнота; масштабный фактор и критерии выбора дозвукового или сверхзвукового режима моделирования.
• Обоснование локального термохимического моделирования в дозвуковых высокоэнтальпийных потоках газов; факторы. определяющие точность моделирования; методика экстраполяции теплового потока в критической точке, измеренного в дозвуковой струе плазмотрона, на условия гинерзнукового полета; алгоритм определения условий моделирования для заданных траскторных параметров.
• Определение каталитичности теплозащитного плиточного покрытия при одновременном моделировании натурной теплопередачи в критической точке аппарата "Маг.*; 14066" в дозвуковом потоке углекислого газа.
• Соотношения Стефана - Максвелла для диффузионных потоков и формулы для тепловых потоков в многокомпонентной двухтемпературной плазме при наличии магнитного поля с учетом произвольного приближения коэффициентов переноса по полиномам Сонина, в том числе для случая амбиполярной диффузии в отсутствие магнитного поля.
• Баротермодиффузионный механизм амбиполярной опережающей диффузии заряженных частиц перед фронтом ударной волны и эффект возникновения электрического поля в слабо ионизованном термически неравновесном ударном слое.
Достоверность и надежность результатов диссертации обоснованы и подтверждены сопоставлением с экспериментальными данными, полученными на установках ВГУ-2, ВГУ-3 и В ГУ-4 в лаборатории "Механики воздействия плазмы на материалы’ ИПМ РАН, сравнением с результатами других авторов по каталитическим свойствам материалов, методическими расчетами параметров неравновесных пограничных слоев и тепловых потоков с помощью двух разных численных методов. Теория локального моделирования обоснована прямыми сравнениями расчетных профилей параметров в пограничных слоях и тепловых потоков для условий экспериментов на плазмотронах в дозвуковых потоках азота, воздуха и углекислого газа с результатами расчетов других авторов для соответствующих условий обтекания затупленных тел гиперзвуковыми потоками этих газов.
п
Научная и практическая значимость работы заключается в последовательном теоретическом и расчетном обосновании количественного моделирования на индукционных плазмотронах в дозвуковых режимах термохимического взаимодействия гиперзвукового потока газа с поверхностью Установлено, что в дозвуковых потоках диссоциированного воздуха при выполнении критериев локального моделирования на малоразмерных моделях может быть воспроизведен не только тепловой поток в критической точке тела, но и диффузионные потоки атомов -в том числе химически активного атомарного кислорода. Этим подтверждено адекватное моделирование на плазмотронах теплообмена и термохимических процессов на поверхности, влияющих на ресурс и надежность тепловой защиты многоразового использования - поверхностного катализа, окисления, деградации и "старения" покрытий. С использованием установленных критериев моделирования возможно корректное сопоставление результатов определения катадитичности и испытаний материалов, полученных в различных высокоэнталышйных газодинамических установках и летных экспериментах
Полученные константы скорости гетерогенной рекомбинации атомов N и О на боросиликатном покрытии плитки и противоокнелителъном покрытии материала углерод-углерод использовались в НПО “Молния" и НИИ механики МГУ для расчетов температурных схем "Бурана". В диссертации обоснована эффективность применения боросилнкатного покрытия для тепловой защиты аппаратов, входящих в атмосферу Марса, в целях снижения тепловых потоков за счет низкой каталитичности поверхности.
Предложены модели "аномальных" эффектов теплообмена дозвуковых течений диссоциированных газов с поверхностью при наличии разрыва каталитической активности ("свсрхравновесный" на!-рев) и при вдуве кислорода с поверхности ттпана, имеющей избирательную каталнтичность по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов азота и кислорода. На основе результатов исследования свсрхравновссного нагрева предложен способ уменьшения теплового потока в шелях плиточной теплозащиты (авт. св-во № 247601 от 04 01.87, совместно с М.И. Якушиным, С.Н. Кубаревым и С.Л. Суходольским).
Новая модель многокомпонентной диффузии и формулы для тепловых потоков в двухтемпературной плазме весьма эффективны для решения ряда новых задач
12
термофизики и ллазмодинамики. Установленные механизмы "аномальной" амбиполярной диффузии ионов в слабоионизованпом ударном слое и возникновения электрического поля в ударной волне важны в задачах аэродинамики слабо-ионизованных газов.
Апробация работы. Основные положения и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на 5-м, 6-м, 7-м Всесоюзных съездах и 8-м Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981, Ташкент, 1986, Москва. 1991, Пермь. 2001), отраслевых научно-технических семинарах в ЦНИИМаш (1980, 1981, 1986), Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации (Москва, 1980-1990), Всесоюзных школах по моделям механики сплошной среды (Рига, 1979. Омск. 1985. Якутск, 1987, Хабаровск, 1989), Всесоюзных школах-семинарах по механике реагирующих сред (Мсждуречсиск, 1982, 1986, Томск, 1984), 13-ом Международном симпозиуме но динамике разреженных газов (Новосибирск, 1982), 7-ой Всесоюзной конференции по теплообмену (Минск, 1984). 1-ом Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984), 8-й Всесоюзной
конференции но динамике разреженных газов (Москва, 1985), конференции "Прикладные вопросы аэрогазодинамики КЛА" (Днепропетровск, 1986), Всесоюзных школах-семинарах «Современные проблемы механики жидкости и газа» (Грозный, 1988. Иркутск, 1990), 1-ом, 2-ом и 3-см Минских международных форумах «Тепломассообмен» (Минск. 1988, 1992. 1996), Школс-се.чинарс ЦАГИ «Механика жидкости и газа» (1992), 2-ом Европейском совещашпз но перспективным высокотемпературным материалам (Безье, Франция, 1993), 2-ом, 3-ем и 4-ом Европейских симпозиумах по аэротсрмодинамикс космических аппаратов (Ноордвейк, Нидерланды, 1994, 1998, Канун, Италия, 2001), Международной конференции «Молекулярная физика и гиперзвуковыс течения» (Маратса, Италия. 1995), 15-м Всемирном конгрессе 1МАСБ по моделированию и прикладной математике (Берлин, 1997), 7-ой конференции А1ААУАБМЕ по термофизнке и теплообмену (Альбукьеркс, 1998), Второй Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998), Международном симпозиуме по спускаемым космическим аппаратам и системам (Аркашон, Франция, 1999), 33-ей конференции А1АА по термофизнке и 9-ой Международной конференции А1АА по космическим
13
аппаратам, гиперзвуковым системам и технологиям (Норфолк, 1999), 31-ой конференции AIAA по плазмо-динамике и лазерам и 21-ой конференции AIAA по передовым технологиям измерений и лабораторных испытаний (Денвер, 2000), 32-ой конференции AIAA по плазмодинамикс и лазерам (Анахайм, 2001).
Научные результаты диссертации обсуждались и получили положительную оценку на научно-исследовательских семинарах проф. Ю.П. Райзсра. проф.
B.И. Полежаева (Институт проблем механики РАН), академика Г.Г. Черного, проф. Г.А. Тирского, проф. A.A. Бармина и член-корр. РАН А.Г. Куликовского (НИИМех МГУ), на Всероссийском семинаре "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" под руководством проф. С.А. Лосева, проф. А.И. Осипова и член-корр. РАН В.А. Левина (НИИМех МГУ), на семинаре член-корр. РАН В.В. Сычева и член-корр. РАН В.Я Нсйланда (ЦАГИ).
Исследования проводились в рамках госбюджетной темы "Плазмотрон-1000" (регистрационный номер № 01-51). Часть работы по тематикам, вошедшим в главы 5-7 диссертации, выполнялась в рамках проектов Международного Научно-Технического Центра (№ 036), ИТАС-РФФИ 95-1329. и проекта РФФИ 99-01-00942.
Публикации. По теме диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано свыше 50 печатных работ (статей, 1грспринтов и докладов в трудах конференций). В публикациях, выполненных в соавторстве с экспериментаторами М.И. Якушиным,
II.Г. Быковой, П.Н. Баронцом, А.Н. Гордеевым и И.С. Псршиным. вклад автора в теоретических и расчетных частях был определяющим. В равноценном соавторстве с
C.Н. Кубаревым выполнены численные исследования обтекания моделей дозвуковыми потоками диссоциированного азота в рамках уравнений Навьс - Стокса.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. В первой главе дан обзор литературы по теме диссертации. Обсуждаются теоретические и расчетные аспекты восстановления кагалитичностн поверхности по параметрам теплообмена. Показана взаимосвязь задач определения кагалитичностн теплозащитных материалов и термохимического моделирования; обоснованы преимущества дозвуковых течений диссоциированных газов для их решения.
Вторая глава посвящена численному исследованию обтекания моделей дозвуковыми потоками вязкого совершенного газа и диссоциированного азота для условий экспериментов на установках В ГУ-2 и ВГУ-3. Дана постановка задачи,
14
представлены результаты методических расчетов при малых числах Маха и Рейнольдса, а также результаты численных решении для конкретного режима установки ВГУ-2, в котором исследовалось влияние гетерогенной рекомбинации атомарного азота на теплообмен. Подробно рассматриваются результаты численного исследования сверхравновссного нагрева каталитического кольца на плоскости, на которую натекает дозвуковая струя диссоциированного азота, при параметрах эксперимента на мегаваттом плазмотроне ВГУ-3. Обсуждаются установленные в расчетах особенности теплообмена при малых числах М и К.е, характерных для дозвуковых течений в индукционных плазмотронах.
В третьей главе изложен метод расчета теплового потока в критической точке цилиндрического тела, обтекаемого дозвуковой струей диссоциированного газа, на основе модели пограничного слоя конечной толщины. Модель обосновывается сравнением параметров неравновесного пограничного слоя с решениями уравнений Навьс - Стокса для задачи о натекании струи диссоциированного азота на плоскость. Предложен метод вычисления градиента скорости и эффективного радиуса модели в критической точке при М«1.
В четвертой главе рассматриваются результаты численного много-параметрического исследования теплопередачи от неравновесного пофаничного слоя к поверхности с произвольной каталитичностью для условий обтекания дозвуковыми потоками диссоциированного азота, воздуха и кислорода в плазмотронах ВГУ-2, ВГУ-3 и ВГУ-4. Представлены метод и результаты восстановления эффективных констант скоростей Кж или вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов N и О па металлах, кварце и теплозащитных покрытиях по измеренному тепловому потоку.
В главе пятой рассматриваются вопросы теории локального моделирования термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков с поверхностью. Получены критерии локального моделирования в до- и сверхзвуковых потоках, на основе которых конструктивно решаются вопросы о соответствии условий эксперимента в плазмотроне н параметров обтекания тела гиперзвуковым потоком. Ятя конкретных дозвуковых режимов плазмотрона ВГУ-2 анализируется точность моделирования тепловых потоков для соответствующих условий гиперзвукового обтекания Показано, что при выполнении полученных критериев моделирования имеет место подобие химически неравновесных пограничных слоев в окрестности
15
критической точки затупленного тела, обтекаемого гиперзвуковым потоком, и модели, обтекаемой дозвуковым высокоэнгальпийным потоком.
В главе шестой разработанный метод восстановления каталигичности поверхности применен к определению эффективной вероятности рекомбинации О и СО на боросиликатном покрытии теплозащитной плитки и противоокислительных покрытиях материала углерод-углерод в дозвуковых потоках диссоциированного углекислого газа. Предложена методика моделирования в дозвуковых режимах плазмотрона ВГУ-4 конвективной теплопередачи к критической точке аппарата, входящего в атмосферу Марса по аэробаллнстической траектории. Определена каталитичность плиточного покрытия в условиях, моделирующих натурный нагрев поверхности аппарата "Mars Probe".
В седьмой главе изложена новая модель диффузии и переноса тепла в многокомпонентной двухтемпературной плазме. Получены формулы для тепловых потоков тяжелых компонентов и электронов и соотношения Стефана - Максвелла для диффузионных потоков при наличии магнитного ноля с учетом высших приближений для коэффициентов переноса по полиномам Сонина. Подробно рассмотрен случаи многокомпонентной амбиполярной диффузии в отсутствие магнитного поля. Представлен пример приложения новой модели диффузии в задаче обтекания затупленного тела сверхзвуковым потоком слабоионизованного неравновесного газа.
В заключении сформулированы основные выводы работы. Диссертация заканчивается списками цитированной литературы и условных обозначений.
16
ГЛАВА I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТАЛИТПЧНОСТН ПОВЕРХНОСТИ КАК ЗАДАЧА ПЕРЕНОСА ЛАБОРАТОРНЫХ ДАННЫХ ПО ТЕПЛООБМЕНУ НА УСЛОВИЯ ГИПЕРЗВУКОВОГО ПОЛЕТА
1Л Исследования каталитнчностн ТЗМ в потоках диссоциированных газов
1.1.1 Голь гетерогенной рекомбинации атомов в ауродинамическом нагреве ГЛА. При движении тела с гиперзвуковой скоростью в верхних слоях атмосферы, газ за головным скачком уплотнения нагревается и диссоциирует, в результате чего значительная часть энергии потока может аккумулироваться в скрытой форме, затраченной на образование атомов (Fay J.A., Riddell F.R., 1958, Goulard R., 1958, Агафонов В.П. и др., 1972). Вследствие этого тепловой поток к каталитической стенке может превышать тепловой поток к не каталитической поверхности в 2-3 раза. Для траекторий аппаратов планирующего спуска ("Space Shuttle", "Буран") в атмосфере Земли на высотах 85-50 км атомы не рекомбтшруют полностью в пограничном слое, достигают поверхности аппарата и могут рекомбинировать на ней с выделением тепла их образования (Scott C.D., 1981, Stewart D.A. et al, 1982, 1988, Афонина H,E. и лр., 1984, Ковалев BJI., Суслов О Н., 1983, 1987, 1996, Ковалев В.Л. и др., 1996,а,Ь. Залогнн Г.Н., Лунев В.В., 1997). Количество дополнительного тепла рекомбинации, поглощаемого поверхностью, вносит неопределенность в расчеты температуры носка фюзеляжа "Бурана" ~ 300 К и температуры поверхности плиток ~ 200 К (Воинов Л.П. и др., 1994, Залогнн Г.Н., Лунев В В., 1997, Соколов В.Е., 1999). Создание низкокаталитичных ТЗМ на основе материала "углерод-углерод" и кварца было одним из ключевых факгоров разработки высоко эффективной тепловой защиты для воздушно-космического самолета "Буран" (Лозино-Лозинский Г.Е., 1990).
При аэробаллистическом спуске аппарата в атмосфере Марса поверхностная рекомбинация атомарного кислорода и моноокиси углерода существенно влияет на аэродинамический нагрев поверхности аппарата В области критической точки фактор неопределенности в тепловом потоке за счет каталитичности поверхности максимален: тепловой поток к каталитической поверхности более чем в три раза превышает расчетное значение, соответствующее некаталитической поверхности (KayR D., Netterfield М.P., 1993, Chen Y.-K. et al, 1993, Gupta R.N. et al, 1996, Афонина H.E., Громов В.Г., 1997, Gromov V.G., AfoninaN.E., 1999. Ковалев В.Л., 1999, Афонина U.E. н др. 2000,а,b).
17
Тепловой эффект гетерогенной рекомбинации атомов зависит как от внешних факторов - степени диссоциации потока на внешней іранице пограничного слоя, энергии диссоциации молекул газа, диффузии и газофазной рекомбинации атомов в пограничном слое, так и от факторов, характеризующих саму поверхность. Среди них наиболее неопределенными являются вероятности гетерогенной рекомбинации атомов и степень аккомодации энергии, т е, доля тепловой энергии, выделившаяся при рекомбинации, которая поглощается поверхностью.
1.1.2 Диффузионные и калориметрические методы. Существующие методы исследования кинетики гетерогенной рекомбинации атомов на поверхностях твердых тел основаны на двух физических эффектах, сопутствующих рекомбинации, - изменении концентрации атомов в потоке вблизи исследуемой поверхности и выделении на ней тепла. Начало исследованиям кинетики катализа в первом направлении было положено Ленгмюром (Langmuir I.J., 1912, 1915), который показал, что если газообразный водород вводить в сосуд, содержащий нагреваемую вольфрамовую нить, то наблюдается непрерывное уменьшение давления вследствие гетерогенной реакции диссоциации молекул водорода на горячем вольфраме. Рекомбинация атомарного кислорода на кварце в диапазоне температур 20-600 "С исследовалась с помощью химического реактора в работе (Greaves J.C., Lmnett J.W., 1959). В работе (Halpcm В., RosncrD.E., 1978) для проведения независимых измерении коэффициентов рекомбинации у* и аккомодации ß„ использовался проточный коаксиальный реактор, на тонкой нагретой (300 < Г». < 2600 К) нити которого происходила рекомбинация атомов азота. Были получены данные для ряда металлов при давлении в слабо диссоциированной смеси 133 Па.
В работах (Жестков Б.Е., Книвель Ф.Я., 1979, 1981) каталитнчность материалов с у„=1(Г -10': определялась по изменению степени диссоциации при протекании азота через нагретый образец, выполненный в виде круглой трубки радиуса 2 см при /?*«102Па, Г„=300-700 К. В работах (Козлов С.Н. и др.. 1987, Александров Е.Н. и др., 1988) для определения вероятности гетерогенной рекомбинации атомов при низких давлениях КГ1-10 * атм использовался статический метод, основанный на измерениях интенсивности флюоресценции атомов N и О на резонансных линиях. В последней работе из сопоставления результатов, полученных в химическом реакторе, где измерялась непосредственно величина вероятности рекомбинации атомов у*, со
is
значениями вероятностей гетерогенной рекомбинации, определенными по тепловому потоку на струсвом стенде, был получен важный результат. Для кварца, а значит и для плиточного покрытия, коэффициент аккомодации энергии рекомбинации ß*«l. По результатам опытов в химическом реакторе был сделан вывод о том, что скорости рекомбинации атомов N и О на кварце при 7'„= ] ООО К близки
Подробный обзор диффузионно-кинетических методов определения вероятностей гетерогенной рекомбинации атомов на основе нахождения распределения их концентрации в реакционных сосудах при давлениях, не превышающих 10'1 атм, и фактические данные по вероятностям рекомбинации атомов азота, кислорода и водорода на различных поверхностях приведены в книге (Беркут В.Д. и др.. 1994).
Тстовой эффект реакции гетерогенной рекомбинации атомов, по-видимому впервые, зарегистрировал Бонхофер (Bonhoeffer K.F., 1924), помещая в сірую диссоциированною водорода шарик термометра, покрытый тонким слоем катализатора. Термометр показывал температуру, зависящую, от активности катализатора.
В калориметрических методах эффективные коэффициенты гетерогенной рекомбинации восстанавливаются по тепловым потокам к исследуемой поверхности и ее тем пера туре, реализованным и измеренным в высокотемпературных газодинамических установках - ударных трубах, элентродуговых установках и индукционных плазмотронах. Главное преимущество калориметрических методов (которые, по существу, также являются газодинамическими), по сравнению с диффузионно-кинетическими, - то, что они позволяют (потенциально) определять каталитические характеристики ТЗМ при натурных (высоких) температурах поверхности и давлениях в газах с натурным химическим составом атмосфер Земли и Марса (воздух, углекислый газ). Существенно, что калориметрическими методами, в отличие от диффузнонно-киистичсских. восстанавливается эффективная вероятность рекомбинации yCfi=y*ß.», где ß„<l - коэффициент аккомодации энергии (Rosner D.E., Feng Н.Н., 1974, Жсстков Б E., 1985, Залогин Г.Н., Псров С.Л , 1985, Беркут В.Д. и др., 1994).
Классическим средством исследования неравновесных процессов в потоках диссоциированных газов, и в первую очередь кинетики газофазных реакций, являются ударные трубы (Лосев С.А., Генералов Н А., 1961, Ступоченко Е.В.,
>9
Лосев С.А.. Осипов А И., 1965, ГейдонА., ГерлИ., 1966). Хотя первые результаты исследований влияния каталитичности поверхности на теплопередачу в ударнотрубных экспериментах были опубликованы в 60-ых годах (Vidal R.J., GolianT.C., 1967), в США ЭТИ установки фактически не использовались в исследованиях каталитичности ТЗМ, отчасти в связи с проблемами получения в эксперименте с характерной продолжительностью около 100 мке требуемых высоких температур поверхности ТЗМ (до 2000 К)
Методика определения мгновенных вероятностей рекомбинации атомов кислорода и азота при импульсном обдуве моделей сверхзвуковым потоком в ударной трубе была разработана в трудах В.Д. Беркута. В.М. Дорошенко, В В. Ковтуна, Н.Н. Кудрявцева, С.С. Новикова и др., результаты которых обобщены в книге (Беркут В.Д. и др., 1994). Предварительный нагрев поверхности модели до требуемых температур осуществлялся излучением мощного СОг лазера Существенное снижение оптимальных (высоких) значений чисел Маха до 10 достигалось за счет сильного разбавления чистых газов аргоном. Па основании экспериментов по теплообмену, выполненных на ударной трубе МФТИ, были определены вероятности гетерогенной рекомбинации атомов О и N на металлах (Pt, Pd, А1. Си) и кварце (Sj02) при '/'„=300 К, а при высоких температурах поверхности 7V* 1100-1800 К - на кварце, керамике, графите и снлицнрованном графите при давлениях около 0,1 am. Вместе с тем, ударно-трубный эксперимент не решает проблему каталитичности ТЗМ в целом, поскольку не обеспечивает моделирования термохимического воздействия высокоэтгалышйных потоков на ТЗМ для условий гнперзву'кового полета по таким факторам, как время воздействия (около 15 мин для "Space Shuttle" и "Бурана") и натурная химическая среда. Кстати, до сих пор на ударных трубах не было получено каких либо данных по каталитичности материалов в потоках диссоцшфованного углекислого газа, хотя недавно появились результаты экспериментальных исследований излучения за ударными волнами в смесях C02-N2-02 и C02-Nj-At. моделирующих химический состав атмосферы Марса (Gorelov V.A. at al, 1999, Losev S.A. et al, 1999, Surzhikov S.T et al, 2001). По этим данным были определены параметры ионизации и скорости электронного возбуждения молекул CN и С2.
20
В США систематические лабораторные исследования влияния каталитичности материалов на теплообмен и возможности снижения температуры ТЗМ за счет применения низкокаталитичных покрытий были начаты в конце 60-х годов в связи с разработкой воздушно-космического летательного аппарата "Space Shuttle" и продолжаются в настояшсе время (Carden W.H., 1966, Pope R.B., 1968, Anderson L.A., 1973, Scon С. D., 1981, Stewart D. A. et al, 1982, Kolodziej P.. Stewart D.A., 1987, Stewart D. A. et al, 1988, 1995). Фактически все эксперименты с теплозащитными материалами (RCG - Reaction Cured Glass и RCC - Reinforced Carbon-Carbon), разработанными для системы тепловой защиты "Space Shuttle", выполнены в основном в Научно-исследовательском центре НАСА им. Эймса на установке с электродуговым нагревом газа мощностью 20 МВт в сверхзвуковых режимах обтекания моделей азотом и воздухом. Основные характеристики потока: давление торможения 2-10 '-5 атм, эигальпим 3,2-40 МДж/кг, число Маха 3-10, радиус модели 0,3-20 см. До настоящего времени в литературе нет данных об экспериментах с углекислым газом, выполненных на элсктродуговых установках. Заметим, что в России элсктродуговыс установки фактически не использовались в решении проблемы каталитичности ТЗМ.
Индукционная плазма (БабатГ.И., 1942, ReedT.B., 1961, Райзер К).Г1., 1968, 1969, 1980, 1987, Дресвин С.В. и др., 1972), которая, в отличие от элсктродуговой плазмы, не загрязнена продуктами эрозии электродов, в России нашла широкое применение к моделированию термохимического воздействия высокоэнтальпийных потоков на ТЗМ для возвращаемых капсул и гилерзвуковых летательных аппаратов планирующего спуска (Якушин М.И., 1969, Anfimov N.A., 1992, Neiland V.Ya., 1992, Залогин Г.Н. и др., 1994). В связи с разработкой "Бурана" проблема кататнтичносги ТЗМ многоразового использования но отношению к гетерогенной рекомбинации атомов азота и кислорода решалась с помощью индукционных плазмотронов в научных коллективах ЦНИИМаш, ЦАГИ и ИПМ РАН.
В ЦНИИМаш в экспериментах на высокочастотном мегаваттом плазмотроне У-13ВЧП (Анфимов Н.А. и др., 1985, Залогин Г.Н., Итин П.Г. и др., 1989.а.Ь, Залогин Г.Н., Лунев В В., 1997) использовались натурные элементы плиточной тепловой защиты "Бурана" размерами 150x150x40 мм, которые помещались в дозвуковой поток диссоциированного воздуха или азота при давлении 5-102-
21