ТЕЧЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕН В СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЯХ ВОЗДУШНОЙ ПЛАЗМЫ: ЭКСПЕРИМЕНТ НА ВЧ-ПЛАЗМОТРОНЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Представлены результаты экспериментального и численного исследования течения и теплообмена в недорасширенных струях воздушной плазмы в широкой области определяющих параметров. Эксперименты выполнены на 100-киловаттном индукционном ВЧ-плазмотроне, имеющим разрядный канал диаметром 80 мм, с использованием звуковых сопел с диаметром выходного сечения 30 и 40 мм. Исследовано стационарное осесимметричное обтекание и теплообмен в критической точке цилиндрической водоохлаждаемой модели с плоским торцевым затуплением диаметром 20 мм. Получены цифровые фотографии обтекания для различного расположения модели в недорасширенных струях воздушной плазмы. Измерены тепловые потоки к охлаждаемой медной поверхности и давление торможения в критической точке модели вдоль оси струи для различных значений расхода воздуха в разрядном канале плазмотрона, энерговклада в разряд, диаметра выходного сечения сопла и давления в барокамере. Для условий экспериментов проведены численные расчеты течений 11-компонентной химически реагирующей частично ионизованной воздушной смеси в разрядном канале плазмотрона и в недорасширенных струях, обтекающих цилиндрическую модель. Технология расчетов основана на комплексе программ численного интегрирования уравнений Навье - Стокса для азимутально закрученного потока и специальных программ-генераторов, взаимодействующих с базами данных по термодинамическим и переносным свойствам индивидуальных газовых веществ. Использованы однотемпературная (T = TV = Te) химически неравновесная модель и трехтемпературная (T ≠ TV ≠ Te) химически и термически неравновесная модель. Проведены детальное сравнение и анализ экспериментальных и расчетных данных по картинам обтекания цилиндрической модели с плоским торцевым затуплением, распределениям тепловых потоков и давления торможения в критической точке модели вдоль оси недорасширенных струй. Хорошее соответствие экспериментальных данных и численных результатов имеет место в первой сверхзвуковой «бочке» для обоих расчетных термохимических моделей. Некоторое влияние термохимической неравновесности на тепловые потоки и давление торможения обнаружены в расчетах вниз по потоку за первой «бочкой». Здесь лучшее согласие с экспериментом дает трехтемпературная модель.