о НИР "Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями" по теме "Теплообмен и термохимическое взаимодействие струй диссоциированных газов с поверхностью материалов: эксперименты на ВЧ-плазмотронах, численное моделирование и анализ поверхности"

На ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 при давлении в барокамере 8.5 гПа экспериментально исследован теплообмен сверхзвуковых недорасширенных струй диссоциированного воздуха с поверхностью цилиндрической водоохлаждаемой модели диаметром 30 мм со скругленной кромкой и плоским притуплением носовой части. При мощностях ВЧ-генератора 50 – 70 кВт измерены тепловые потоки в критической точке модели к поверхностям золота (Au), серебра (Ag), меди (Cu), молибдена (Mo), бериллия (Be), тантала (Ta), ниобия (Nb) и кварца (SiO2).При давлении в барокамере 50 гПа измерены тепловые потоки в окрестности критической точки цилиндрической модели диаметром 50 мм со скругленной кромкой, обтекаемой дозвуковыми струями диссоциированного воздуха, примаксимальной мощности ВЧ-генератора 70 кВт. Использовались проточные калориметры с тепловоспринимающими поверхностями из исследуемых металлов и три датчика из кварца с различными толщинами передней стенки.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.На основании контрольных расчетов течений воздушной плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 с использованием 2-D модели для высокочастотного электрического поля показано, что по сравнению с квази 1-D моделью уточнение в профилях температуры и скорости в выходном сечении разрядного канал находится в пределах 0.4 – 4%, и это приближение обеспечивает достаточную точность при расчетах тепловых потоков при осесимметричном обтекании цилиндрических моделей дозвуковыми струями диссоциированного воздуха.С применением золь-гель метода синтезирован композиционный порошок состава HfB2-(SiO2-C), который использовался при реакционном спекании (горячее прессование, 30 МПа, 1800С, 15 мин) ультравысокотемпературных керамических композитов состава HfB2-30vol.%SiC. Изучена длительная (40 мин) окислительная стойкость образца HfB2-30vol.%SiC под воздействием сверхзвукового потока диссоциированного воздуха на высокочастотном индукционном плазмотроне (тепловой поток изменялся с 232 до 779 Вт/см2, давление в барокамере плазмотрона 15 гПа) в конфигурации, препятствующей значительному отводу тепла от образца в водоохлаждаемую державку (с выступом 1 мм). С применением данных эмиссионной спектроскопии пограничного слоя над поверхностью образца, а также РФА и СЭМ образца после воздействия, показано, что процесс резкого роста температур с ~1500-1600С до 2500-2600С связан с изменением химической природы поверхности в результате испарения компонентов боросиликатного стекла и появления на поверхности пористого малотеплопроводного и высококаталитичного HfO2. Изучена кинетика изменения спектральной степени черноты (длина волны 0.9 мкм) непосредственно в ходе окисления керамического материала HfB2-SiC. Отмечено, что данные процессы при воздействии сверхзвукового потока инициируются при более низкой температуре, чем под воздействием дозвуковых потоков диссоциированного воздуха.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.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. Сравнение измеренных в экспериментах и полученных в расчетах тепловых потоков на поверхности диска позволило определить каталитическую активность исследуемых образцов сверх высокотемпературной керамики.Проведены сравнения экспериментально измеренных и рассчитанных значений температур на наветренной поверхности диска для нескольких пусков установки АДТ ВАТ-104.