Влияние каталитически активной поверхности на интенсивность конвективного теплообмена

Авторы

Никитин П. В.^*, Шкуратенко А. А.^**

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: petrunecha@gmail.com
**e-mail: Shkuratenko.anna@mail.ru

Аннотация

В работе проведён анализ влияния каталитически активной поверхности на интенсивность теплообмена при обтекании тела осесимметричной формы потоком диссоциированного воздуха. С задачами подобного типа приходится сталкиваться при длительном полёте летательного аппарата в атмосфере с гиперзвуковой скоростью. Главная особенность теплообмена на поверхности аппаратов такого класса выражается в том, что, практически, по всей траектории полёта реализуется тепло — и массообмен между поверхностью аппарата и химически активным пограничным слоем. Интенсивность теплообмена в таком пограничном слое всецело зависит как от параметров состояния газа, так и от химического состояния смеси компонентов высокотемпературного воздуха. В итоге, эти две особенности, в конечном счете, определяют тип пограничного слоя: равновесный, неравновесный или «замороженный». Указанное, является важным обстоятельством, поскольку в зависимости от типа пограничного слоя выбирается тот или иной класс теплозащитного материала.

Проведенные различными авторами исследования теплообмена в неравновесных потоках диссоциированного газа [1] показали, что при полёте аппарата на высотах более 40 км, параметры состояния высокотемпературного воздуха таковы, что молекулы, проходя через ударную волну и сжатый слой, диссоциируют на атомы. В свою очередь, атомарный газ попадает в зону пограничного слоя, диффундирует к поверхности аппарата и рекомбинирует на ней. В результате реализации всего этого комплекса физико-химических процессов, значительно увеличиваются тепловые потоки в конструкцию ГЛА. Интенсивность теплообмена в этом случае сильно зависит от каталитической активности материалов тепловой защиты.

Впервые задачу влияния каталитической активности материалов теплообмен в диссоциированных потоках проанализировал американский исследователь Гулард. Однако при выводе соотношения для расчёта плотности теплового потока Гулардом допущена некорректность при постановке задачи. В этой связи в данной работе выполнена модификация уравнения Гуларда. Получено новое соотношение. Проведено сравнение расчётных и экспериментальных данных плотностей тепловых потоков в каталитически активную поверхность. Расчёт проведён как с использованием уравнения Гуларда, так и полученного нового соотношения. Показано несоответствие результатов расчёта по уравнению Гуларда с данными эксперимента и расчётными данными с использованием полученного в работе нового соотношения.

Ключевые слова

химически активный пограничный слой, каталитическая активность поверхности, тепло-массообмен, материалы тепловой защиты, гиперзвуковой летательный аппарат, математическая модель, процессы термо-газодинамики и тепло-массообмена

Библиографический список

1. Формалев В.Ф., Кузнецова Е.Л., Селин И.А. Методика, алгоритм и программный комплекс решения задач о тепловом состоянии теплозащитных композиционных материалов при аэродинамическом нагреве // Труды МАИ, 2014, № 72: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=47581

2. Никитин П.В. Тепловая защита. — М.:Изд-во МАИ, 2006. — 512 с.

3. Никитин П.В., Сотник Е.В. Катализ и излучение в системах тепловой защиты космических аппаратов. — М.: Изд-во «Янус-К», 2013. — 336 с.

4. Агафонов В.П., Вертушкин В.К., Гладков А.А., Полянский О.Ю. Неравновесные физико-химические процессы в аэродинамике. — М.: Машиностроение, 1972. −344 с.

5. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / Под ред. В.С. Авдуевского, В.К. Кошкина. — М.: Машиностроение, 1992. — 528 с.

6. Елисеев В.Д., Товстоног В.А., Мьо Т. Теплообмен в рабочем участке стенда с газоразрядными источниками излучения // Труды МАИ, 2011, № 49: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=28196

7. Фей Дж., Ридделл Ф. Теоретический анализ теплообмена в лобовой точке, омываемой диссоциированным воздухом. / В кн. Проблемы движения головной части ракет дальнего действия — М.: Изд-во ИЛ, 1959. С.217-256.

8. Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. — М.: Машиностроение, 1975. −328 с.

9. Гулард Р. О влиянии скоростей каталитической рекомбинации на теплопередачу при торможении гиперзвукового потока // Вопросы ракетной техники. 1959. № 5. С. 3-23.

10. Гиршфельдер Дж, Кертисс Ч, Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. — М.: Изд-во ИЛ, 1961. — 913 с.

11. Поуп Р. Конвективный теплообмен в критической точке при замороженном течении в пограничном слое // AIAA Journal. 1968. vol. 1. no. 2. С. 53-61.

12. Dorrance W.H. Viscous hypersonic flow. Theory of reacting and hypersonic boundary layers, McGraw-Hill, New York, 1962. 269 p.

13. Варгафтик Н.Б. и др. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.:Физматлит, 1963. — 708 с.

14. Lees L. Jet Propulsion, 1956, vol. 26, no. 4, 259-269 pp.

Скачать статью