New Models of Heterogeneous Catalysis for Numerical Study of Flows and Heat Transfer in an Induction HF Plasmatron

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Numerical simulation of the flow of multicomponent nonequilibrium dissociated air past a water-cooled cylindrical model in underexpanded supersonic jets of high-enthalpy air is carried out within the framework of the Navier-Stokes equations using the stage-by-stage heterogeneous kinetics of interaction of dissociated air with the surfaces of β-cristobalite and copper and taking into account chemical reactions in flow for the conditions of experiments on heat transfer in the induction HF plasmatron VGU-4 (IPMech RAS). Numerical solutions for the chemical composition of the gas and for heat fluxes to the surface of the sensors are compared for various catalysis models. The contribution of diffusion and heat conduction processes to the heat flux to the surface is shown in various regimes of the interaction of gas with the surface material. The dependence of the flow characteristics (the chemical composition of the gas on the surface, the degree of filling of the surface, and the heat flux to the surface) on the density of adsorption sites has been determined. The modification of this dependence makes it possible to describe the entire range of the boundary conditions from non-catalytic to full catalytic ones.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Krupnov

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: kroupnov@imec.msu.ru
Russian Federation, Moscow

M. Yu. Pogosbekyan

Lomonosov Moscow State University

Email: pogosbekian@imec.msu.ru
Russian Federation, Moscow

V. I. Sakharov

Lomonosov Moscow State University

Email: sakharov@imec.msu.ru
Russian Federation, Moscow

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Calculation area during numerical simulation of the flow in the plasmatron VGU-4 when flowing around a model with a flat sensor. The distribution of the local Mach number M is shown.

Download (42KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the adsorption rate coefficient kad of nitrogen and oxygen atoms on Cu2O and SiO2 surfaces on the surface temperature.

Download (257KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the desorption rate coefficient kdes of nitrogen and oxygen atoms on Cu2O and SiO2 surface on the surface temperature.

Download (248KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the shock recombination rate coefficient ker of nitrogen and oxygen atoms on Cu2O and SiO2 surface on the surface temperature.

Download (296KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Heat flux to the surface of SiO2 and Cu2O sensors as a function of the density of S0 adsorption sites: 1 - perfectly catalytic surface, 2 - non-catalytic surface, 3 - SiO2, 4 - Cu2O, 5 - SiO2 experiment, 6 - SiO2 S0*, 7 - Cu2O S0*.

Download (169KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Heat flux contributions for SiO2 (a) and Cu2O (b) surfaces due to conduction and diffusion: 1 - total heat flux, 2 - heat conduction contribution, 3 - non-catalytic surface.

Download (284KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Concentrations of gas-phase components on SiO2 (a) and Cu2O (b) surfaces as a function of the density of S0 adsorption sites.

Download (379KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Rate of occurrence of molecular gas-phase components as a result of heterogeneous reactions on SiO2 (a) and Cu2O (b) surfaces depending on the density of S0 adsorption sites.

Download (307KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Degrees of filling of SiO2 (a) and Cu2O (b) surfaces with adsorbed oxygen and nitrogen atoms as a function of the density of S0 adsorption sites.

Download (339KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences