В связи с техническими работами в центре обработки данных, часть прикреплённых файлов в настоящее время недоступна.
 
скрыть

Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхностиНИР

Heat transfer and thermochemical interaction of dissociated gas jets with surface of materials: experiments on RF-plasmatrons, numerical modeling and surface analysis

Соисполнители НИР

ИПМехРАН; Соисполнитель
ИОНХ РАН Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности
Результаты этапа: Проведено: - численное моделирование течений азота в канале плазмотрона ВГУ-4 в широкой области параметров эксперимента (энерговклада в плазму, расхода газа в разрядном канале, давления в барокамере); - численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением в недорасширенных сверхзвуковых струях азота; - численное моделирование обтекания и теплообмена образцов в форме дисков в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности
Результаты этапа: Одна из главных целей данной работы заключалась в получении новых экспериментальных данных по теплообмену на водоохлаждаемых моделях различной геометрии в сверхзвуковых недорасширенных струях частично диссоциированного воздуха на 100-киловаттном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4. Эксперименты проведены с использованием водоохлаждаемого конического сопла с диаметром выходного сечения 50 мм, присоединенным к разрядному каналу плазмотрона. Давление в барокамере составляло 8.5 гПа, расход воздуха 3.6 г/с, мощность ВЧ-генератора в диапазоне 50-70 кВт. Экспериментально исследован теплообмен сверхзвуковых недорасширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Для измерения тепловых потоков использовались плоские калориметрические датчики, встроенные в носовую часть модели. При мощностях ВЧ-генератора 50, 55, 60, 64 и 70 кВт получены данные по тепловым потокам с помощью восьми датчиков из различных материалов: золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb) и кварца (SiO2) – три датчика с различной толщиной тепловоспринимающей стенки. Тепловые потоки к поверхностям металлов реализованы в диапазоне 255 – 442 Вт/см2. Наибольшие тепловые потоки зарегистрированы на датчиках из серебра и меди, что свидетельствует о высокой каталитичности их поверхности, причем каталитичность серебра и меди практически одинаковы. Вторая группа материалов – золото, тантал, бериллий и ниобий. Эти материалы оказались близки по уровню зарегистрированных тепловых потоков. Реализуемые потоки для них ниже, чем у меди и серебра. Эти металлы можно отнести к среднекаталитическим. Из металлов, наименьший тепловой поток отмечен у молибдена. Минимальные тепловые потоки реализованы в исследовавшихся режимах на кварцевых датчиках в диапазоне температуры стенки 738 – 1252 K. Молибден и кварц моут быть отнесены к низкокаталитическим материалам. Эксперименты по определению тепловых потоков в дозвуковых режимах плазмотрона ВГУ-4 проводились в струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из цилиндрического канала с диаметром выходного сечения D = 80 мм при давлении в затопленном пространстве 50 гПа, расходе воздуха 2,4 г/c и максимальной мощности ВЧ-генератора по анодному питанию 70 кВт. Тепловые потоки измерялись в окрестности критической точки цилиндрической модели диаметром 50 мм со скругленной кромкой («евромодель»). Расстояние между передней критической точкой модели и срезом сопла составляло 60 мм. В экспериментах использовались датчики тепловых потоков с тепловоспринимающей поверхностью из восьми материалов: медь (Cu), серебро (Ag), тантал (Ta), молибден (Mo), бериллий (Be), ниобий (Nb), золото (Au) и кварц (SiO2). Тепловые потоки зарегистрированы в диапазоне 100 – 237 кВт/см2. Качественно шкалы каталитичности материалов, полученные в дозвуковом и сверхзвуковом режимах обтекания моделей разной геометрии соответствуют друг другу: Cu ~ Ag > Nb ~Au > Ta ~ Be > Mo ~ SiO2. Получены новые экспериментальные данные по ударно-волновым структурам, возникающим при обтекании водоохлаждаемых цилиндрических моделей различной геометрии недорасширенными сверхзвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха. С использованием 2-D модели для высокочастотного электрического поля проведены контрольные расчеты течений воздушной плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 и показано, что по сравнению с квази 1-D моделью уточнение в профилях температуры и скорости в выходном сечении находится в пределах 0.4 – 4%. Установлено, для плазмотрона ВГУ-4 квази-одномерное приближение для усредненной по времени комплексной амплитуды электрического поля обеспечивает достаточную точность при расчетах тепловых потоков при осесимметричном обтекании цилиндрических моделей дозвуковыми струями диссоциированного воздуха. численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением до- и сверхзвуковыми потоками азота и воздуха На индукционном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в дозвуковых струях диссоциированного азота. Измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, а также скоростные напоры при давлении в барокамере 50 гПа и мощности ВЧ-генератора 35–65 кВт. В экспериментах продемонстрирован эффект влияния каталитичности поверхности по отношению к рекомбинации атомов азота на тепловой поток. Для уточненных условий экспериментов выполнено численное моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания цилиндрической модели дозвуковыми струями диссоциированного азота. Проведено сравнение новых экспериментальных данных по тепловым потокам к охлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца с расчетными зависимостями тепловых потоков от эффективного коэффициента рекомбинации атомов азота. На индукционном высокочастотном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного азота при давлении в барокамере 10.4 гПа. При расходах газа 2.4, 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт измерены тепловые потоки к поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм. В сверхзвуковых недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа, истекающих из конического сопла с диаметром выходного сечения 40 мм, измерены тепловые потоки к охлаждаемой поверхности графита МПГ-7 на цилиндрической модели с плоским носком диаметром 20 мм при мощности ВЧ-генератора 45 кВт, расходе газа 2.4 г/с и давлении в барокамере 10.4 гПа. Проведено сравнение тепловых потоков к графиту с предыдущими экспериментальными данными для тепловых потоков к поверхностям серебра, меди, нержавеющей стали и кварца. Установлено, что тепловые потоки к поверхности графита близки к данным для меди и нержавеющей стали, а графит, соответственно, относится к средне каталитическим материалам. Реализован расчетный метод, разработанный ранее в ИПМех РАН, приближенного определения энтальпии he на оси дозвукового потока диссоциированного воздуха в струе, истекающей из разрядного канала ВЧ-плазмотрона. Метод основан на формуле Фея-Риддела для теплового потока к идеально каталитической поверхности, адаптированной к условиям дозвуковых высокоэнтальпийных течений. При расчете энтальпии исходными экспериментальными данными являются измеренные тепловые потоки к водоохлаждаемой поверхности меди и скоростные напоры. С помощью программ Alpha и Beta проведены расчеты эффективного радиуса reff цилиндрической модели с плоским торцом диаметра 20 мм с тремя вариантами геометрии секционированного разрядного канала с диаметром выходного сечения конического насадка D=30, 40, 50 мм для условий экспериментов в диапазоне мощности ВЧ-генератора Nap=20-75 кВт. Проведены также расчеты эффективного радиуса модели reff для базового режима работы плазмотрона ВГУ-4 со стандартным разрядным каналом D=80 мм для линейки моделей - цилиндров с плоским торцом различного диаметра dm от 20 мм до 140 мм. Полученные расчетные зависимости reff (Nap; D) использовались при определении энтальпии дозвуковых потоков диссоциированного воздуха приближенным методом. Проведено сравнение расчетов энтальпии he для условий экспериментов на ВГУ-4 с секционированным разрядным каналом, проведенных с помощью "точного" (на основе программ Alpha, Beta и Gamma,) и приближенного метода на основе модифицированной формулы Фея-Риддела. Показано хорошее, в пределах 5-6%, согласие расчета по приближенному методу с "точным" расчетом по программе Gamma, осуществляющей расчет химически неравновесного пограничного слоя вблизи критической точки модели. На основе результатов численного моделирования и с помощью теории локального моделирования теплообмена, разработанной в лаборатории взаимодействия плазмы и излучения ИПМех РАН, параметры дозвуковых течений высокоэнтальпйного воздуха в индукционном плазмотроне ВГУ-4 (энтальпия hSe, скорость VS) для секционированных разрядных каналов с диаметрами выходного сечения D=30 и 40 мм при давлении P=100 гПа в широком диапазоне мощности Nap = 20 - 75 кВт пересчитаны на условия входа затупленного тела в атмосферу Земли: скорость 5200 – 8800 м/с и высота полета 58 – 67 км. Для модели - цилиндра с плоским торцом диаметром dm=20 мм – определены соответствующие радиусы затупления тела RN, обтекаемого гиперзвуковым потоком воздуха: RN = 0.22 м (D = 30 мм) и RN = 0.47 м (D = 40 мм). На высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 в дозвуковом и сверхзвуковом потоках высокоэнтальпийного воздуха исследовались теплообмен и поведение высокоплотной ультравысокотемпературной керамики HfB2-SiC. Образцы ультравысокотемпературных керамических материалов HfB2-30 об. % SiC, в состав которых входит нанокристаллический карбид кремния с плотностью 7.5±0.5 г/см3, изготовлены методом горячего прессования при сравнительно низкой температуре 1700 С. Предел прочности при сжатии составляет 284 МПа. Анализ микроструктуры (СЭМ) подтвердил отсутствие включений посторонних фаз (непрореагировавшего SiO2). Образцы-таблетки из керамики устанавливались в цилиндрическую модель диаметром 30 мм с полусферическим притуплением с плоским носком диаметром 14 мм. Испытания в дозвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 100 гПа и расходе воздуха 2.4 г/c c использованием конического водоохлаждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 30 мм. Испытания в сверхзвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 16 гПа и расходе воздуха 3.6 г/c c использованием конического водоохлааждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 25 мм. В результате в дозвуковых и сверхзвуковых потоках диссоциированного воздуха индукционного плазмотрона ВГУ-4 в течение 40 мин изучено поведение двух образцов керамических материалов HfB2-30 об. % SiC. Исследование окисленной в результате термохимического воздействия поверхности образцов методами ИК-Фурье-спектроскопии отражения и рентгенофазового анализа свидетельсвуют о значительном изменении ее химического состава. Для образца, подвергшегося воздействию дозвуковых потоков диссоциированного воздуха, отмечено, что основной фазой на поверхности является моноклинный оксид гафния с примесью 3-4 % гафнона HfSiO4. Для образца, испытанного в сверхзвуковом режиме при существенно более мягком термохимическом воздействии (максимальная температура 1600C), содержание фазы HfSiO4 составляет 7-11 % в зависимости от положения проанализированного участка. С применением растровой электронной микроскопии изучена микроструктура окисленной поверхности образцов. Показано, что для образца 30V-sh-5, подвергшегося воздействию дозвукового потока диссоциированного воздуха, в области, температура которой составляла 2600-2700С, сформировался пористый керамический слой HfO2, в то время как в относительно «холодной» области (максимальная температура 1850-1900С) зафиксирован процесс почти полного испарения с поверхности боросиликатного стекла. Для образца же 30V-sh-7 под воздействием сверхзвукового потока высокоэнтальпийного воздуха окисленный слой для более (в центре) и менее высокотемпературных участков (на краю образца) сформировались близкие по микроструктуре картины: на поверхности находятся преимущественно высокодисперсные частицы HfO2, под которым локализован слой боросиликатного стекла.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности
Результаты этапа: Одна из главных целей данной работы заключалась в получении новых экспериментальных данных по теплообмену на водоохлаждаемых моделях различной геометрии в сверхзвуковых недорасширенных струях частично диссоциированного воздуха на 100-киловаттном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4. Эксперименты проведены с использованием водоохлаждаемого конического сопла с диаметром выходного сечения 50 мм, присоединенным к разрядному каналу плазмотрона. Давление в барокамере составляло 8.5 гПа, расход воздуха 3.6 г/с, мощность ВЧ-генератора в диапазоне 50-70 кВт. Экспериментально исследован теплообмен сверхзвуковых недорасширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. Для измерения тепловых потоков использовались плоские калориметрические датчики, встроенные в носовую часть модели. При мощностях ВЧ-генератора 50, 55, 60, 64 и 70 кВт получены данные по тепловым потокам с помощью восьми датчиков из различных материалов: золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb) и кварца (SiO2) – три датчика с различной толщиной тепловоспринимающей стенки. Тепловые потоки к поверхностям металлов реализованы в диапазоне 255 – 442 Вт/см2. Наибольшие тепловые потоки зарегистрированы на датчиках из серебра и меди, что свидетельствует о высокой каталитичности их поверхности, причем каталитичность серебра и меди практически одинаковы. Вторая группа материалов – золото, тантал, бериллий и ниобий. Эти материалы оказались близки по уровню зарегистрированных тепловых потоков. Реализуемые потоки для них ниже, чем у меди и серебра. Эти металлы можно отнести к среднекаталитическим. Из металлов, наименьший тепловой поток отмечен у молибдена. Минимальные тепловые потоки реализованы в исследовавшихся режимах на кварцевых датчиках в диапазоне температуры стенки 738 – 1252 K. Молибден и кварц моут быть отнесены к низкокаталитическим материалам. Эксперименты по определению тепловых потоков в дозвуковых режимах плазмотрона ВГУ-4 проводились в струях высокоэнтальпийного воздуха, истекающих из цилиндрического канала с диаметром выходного сечения D = 80 мм при давлении в затопленном пространстве 50 гПа, расходе воздуха 2,4 г/c и максимальной мощности ВЧ-генератора по анодному питанию 70 кВт. Тепловые потоки измерялись в окрестности критической точки цилиндрической модели диаметром 50 мм со скругленной кромкой («евромодель»). Расстояние между передней критической точкой модели и срезом сопла составляло 60 мм. В экспериментах использовались датчики тепловых потоков с тепловоспринимающей поверхностью из восьми материалов: медь (Cu), серебро (Ag), тантал (Ta), молибден (Mo), бериллий (Be), ниобий (Nb), золото (Au) и кварц (SiO2). Тепловые потоки зарегистрированы в диапазоне 100 – 237 кВт/см2. Качественно шкалы каталитичности материалов, полученные в дозвуковом и сверхзвуковом режимах обтекания моделей разной геометрии соответствуют друг другу: Cu ~ Ag > Nb ~Au > Ta ~ Be > Mo ~ SiO2. Получены новые экспериментальные данные по ударно-волновым структурам, возникающим при обтекании водоохлаждаемых цилиндрических моделей различной геометрии недорасширенными сверхзвуковыми струями высокоэнтальпийного воздуха. С использованием 2-D модели для высокочастотного электрического поля проведены контрольные расчеты течений воздушной плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 и показано, что по сравнению с квази 1-D моделью уточнение в профилях температуры и скорости в выходном сечении разрядного канала находится в пределах 0.4 – 4%. Установлено, для плазмотрона ВГУ-4 квази-одномерное приближение для усредненной по времени комплексной амплитуды электрического поля обеспечивает достаточную точность при расчетах тепловых потоков при осесимметричном обтекании цилиндрических моделей дозвуковыми струями диссоциированного воздуха. Проведено численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением до- и сверхзвуковыми потоками азота и воздуха. На индукционном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в дозвуковых струях диссоциированного азота. Измерены тепловые потоки к поверхности меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, а также скоростные напоры при давлении в барокамере 50 гПа и мощности ВЧ-генератора 35–65 кВт. В экспериментах продемонстрирован эффект влияния каталитичности поверхности по отношению к рекомбинации атомов азота на тепловой поток. Для уточненных условий экспериментов выполнено численное моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания цилиндрической модели дозвуковыми струями диссоциированного азота. Проведено сравнение новых экспериментальных данных по тепловым потокам к охлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, никеля, графита и кварца с расчетными зависимостями тепловых потоков от эффективного коэффициента рекомбинации атомов азота. На индукционном высокочастотном плазмотроне ВГУ-4 проведены контрольные эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного азота при давлении в барокамере 10.4 гПа. При расходах газа 2.4, 3.6 г/с и мощностях ВЧ-генератора 45, 64 кВт измерены тепловые потоки к поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке водоохлаждаемой цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм. В сверхзвуковых недорасширенных струях диссоциированного углекислого газа, истекающих из конического сопла с диаметром выходного сечения 40 мм, измерены тепловые потоки к охлаждаемой поверхности графита МПГ-7 на цилиндрической модели с плоским носком диаметром 20 мм при мощности ВЧ-генератора 45 кВт, расходе газа 2.4 г/с и давлении в барокамере 10.4 гПа. Проведено сравнение тепловых потоков к графиту с предыдущими экспериментальными данными для тепловых потоков к поверхностям серебра, меди, нержавеющей стали и кварца. Установлено, что тепловые потоки к поверхности графита близки к данным для меди и нержавеющей стали, а графит, соответственно, относится к средне каталитическим материалам. Реализован расчетный метод, разработанный ранее в ИПМех РАН, приближенного определения энтальпии he на оси дозвукового потока диссоциированного воздуха в струе, истекающей из разрядного канала ВЧ-плазмотрона. Метод основан на формуле Фея-Риддела для теплового потока к идеально каталитической поверхности, адаптированной к условиям дозвуковых высокоэнтальпийных течений. При расчете энтальпии исходными экспериментальными данными являются измеренные тепловые потоки к водоохлаждаемой поверхности меди и скоростные напоры. С помощью программ Alpha и Beta проведены расчеты эффективного радиуса reff цилиндрической модели с плоским торцом диаметра 20 мм с тремя вариантами геометрии секционированного разрядного канала с диаметром выходного сечения конического насадка D=30, 40, 50 мм для условий экспериментов в диапазоне мощности ВЧ-генератора Nap=20-75 кВт. Проведены также расчеты эффективного радиуса модели reff для базового режима работы плазмотрона ВГУ-4 со стандартным разрядным каналом D=80 мм для линейки моделей - цилиндров с плоским торцом различного диаметра dm от 20 мм до 140 мм. Полученные расчетные зависимости reff (Nap; D) использовались при определении энтальпии дозвуковых потоков диссоциированного воздуха приближенным методом. Проведено сравнение расчетов энтальпии he для условий экспериментов на ВГУ-4 с секционированным разрядным каналом, проведенных с помощью "точного" (на основе программ Alpha, Beta и Gamma,) и приближенного метода на основе модифицированной формулы Фея-Риддела. Показано хорошее, в пределах 5-6%, согласие расчета по приближенному методу с "точным" расчетом по программе Gamma, осуществляющей расчет химически неравновесного пограничного слоя вблизи критической точки модели. На основе результатов численного моделирования и с помощью теории локального моделирования теплообмена, разработанной в лаборатории взаимодействия плазмы и излучения ИПМех РАН, параметры дозвуковых течений высокоэнтальпйного воздуха в индукционном плазмотроне ВГУ-4 (энтальпия hSe, скорость VS) для секционированных разрядных каналов с диаметрами выходного сечения D=30 и 40 мм при давлении P=100 гПа в широком диапазоне мощности Nap = 20 - 75 кВт пересчитаны на условия входа затупленного тела в атмосферу Земли: скорость 5200 – 8800 м/с и высота полета 58 – 67 км. Для модели - цилиндра с плоским торцом диаметром dm=20 мм – определены соответствующие радиусы затупления тела RN, обтекаемого гиперзвуковым потоком воздуха: RN = 0.22 м (D = 30 мм) и RN = 0.47 м (D = 40 мм). На высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 в дозвуковом и сверхзвуковом потоках высокоэнтальпийного воздуха исследовались теплообмен и поведение высокоплотной ультравысокотемпературной керамики HfB2-SiC. Образцы ультравысокотемпературных керамических материалов HfB2-30 об. % SiC, в состав которых входит нанокристаллический карбид кремния с плотностью 7.5±0.5 г/см3, изготовлены методом горячего прессования при сравнительно низкой температуре 1700 С. Предел прочности при сжатии составляет 284 МПа. Анализ микроструктуры (СЭМ) подтвердил отсутствие включений посторонних фаз (непрореагировавшего SiO2). Образцы-таблетки из керамики устанавливались в цилиндрическую модель диаметром 30 мм с полусферическим притуплением с плоским носком диаметром 14 мм. Испытания в дозвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 100 гПа и расходе воздуха 2.4 г/c c использованием конического водоохлаждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 30 мм. Испытания в сверхзвуковом режиме проведены при давлении в барокамере 16 гПа и расходе воздуха 3.6 г/c c использованием конического водоохлааждаемого сопла с диаметром выходного сечения 30 мм. Расстояние от выходного сечения сопла до образца составляло 25 мм. В результате в дозвуковых и сверхзвуковых потоках диссоциированного воздуха индукционного плазмотрона ВГУ-4 в течение 40 мин изучено поведение двух образцов керамических материалов HfB2-30 об. % SiC. Исследование окисленной в результате термохимического воздействия поверхности образцов методами ИК-Фурье-спектроскопии отражения и рентгенофазового анализа свидетельсвуют о значительном изменении ее химического состава. Для образца, подвергшегося воздействию дозвуковых потоков диссоциированного воздуха, отмечено, что основной фазой на поверхности является моноклинный оксид гафния с примесью 3-4 % гафнона HfSiO4. Для образца, испытанного в сверхзвуковом режиме при существенно более мягком термохимическом воздействии (максимальная температура 1600C), содержание фазы HfSiO4 составляет 7-11 % в зависимости от положения проанализированного участка. С применением растровой электронной микроскопии изучена микроструктура окисленной поверхности образцов. Показано, что для образца 30V-sh-5, подвергшегося воздействию дозвукового потока диссоциированного воздуха, в области, температура которой составляла 2600-2700С, сформировался пористый керамический слой HfO2, в то время как в относительно «холодной» области (максимальная температура 1850-1900С) зафиксирован процесс почти полного испарения с поверхности боросиликатного стекла. Для образца же 30V-sh-7 под воздействием сверхзвукового потока высокоэнтальпийного воздуха окисленный слой для более (в центре) и менее высокотемпературных участков (на краю образца) сформировались близкие по микроструктуре картины: на поверхности находятся преимущественно высокодисперсные частицы HfO2, под которым локализован слой боросиликатного стекла. Проведены экспериментальные исследования обтекания и измерены тепловые потоки на поверхности диска из сверх высокотемпературной керамики в аэродинамической трубе ВАТ-104 ЦАГИ в химически неравновесном высокоэнтальпийном сверхзвуковом потоке воздушной плазмы. Для проведения исследования неравновесного теплообмена с моделями разработана методика измерений яркостной температуры и излучательной способности образцов материалов при температурах до 3500 K. Яркостная температура образца измеряется пирометром на базе цифровой ПЗС камеры VS-CTT-285/E/P-2001 на длине волны 890 нм и тепловизором Тандем VS-415U на 650 нм. Спектральная температура и излучательная способность определяются по спектру теплового излучения образца, регистрируемого с помощью спектрографа Ocean Optics USB2000+. Значения излучательной способности и яркостной температуры позволяют определить температуру образца. Спектральная излучательная способность материала также определяется на спектрофотометре SPECORD при комнатной температуре в диапазоне длин волн от 350 до 900 нм. В рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели газовой среды проведено численное моделирование течения в подогревателе, сверхзвуковом сопле и в рабочей части АДТ ВАТ-104, а также обтекания диска из керамики для условий экспериментов. Выполнены параметрические численные исследования неравновесного теплообмена на поверхности диска с теплоизолированной поверхностью при различных значениях каталитической активности его поверхности. Получены распределения радиационно равновесной температуры на теплоизолированной поверхности диска и распределения теплового потока по его поверхности. Сравнение измеренных в экспериментах и полученных в расчетах тепловых потоков на поверхности диска позволило определить каталитическую активность исследуемых образцов сверх высокотемпературной керамики. Константа скорости гетерогенной рекомбинации Kw определена из условия совпадения расчетной величины теплового потока с полученной в эксперименте. Проведенное сопоставление тепловых потоков с наветренной стороны диска для двух режимов работы установки показало их хорошее совпадение с отличием не более 4% при значении константы скорости гетерогенной рекомбинации атомов Kw = 32.5 м/с. Для рассмотренных режимов экспериментов тепловой поток на наветренной поверхности диска в процессе испытания возрастал более, чем в 2.5 раза, из-за образования высококаталитической термобарьерной пленки, вследствие чего его поверхность становилась практически идеально каталитической. Различия экспериментально измеренных и рассчитанных значений температур на наветренной поверхности диска для нескольких пусков установки АДТ ВАТ-104 не превышает 1.5% в центральной его части, увеличиваясь к периферии до 10%. Полученные расчётные и экспериментальные данные хорошо согласуются. Это позволяет использовать исследованные режимы химически чистого высокоэнтальпийного сверхзвукового потока воздушной плазмы с высокими значениями теплового потока до 5 МВт/м2 для методических и промышленных испытаний.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".