CC BY
49
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м II 197 1 Мб
УДК 535.95
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО ТЕЧЕНИЯ ГАЗА, ВОЗБУЖДЕННОГО ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ
А. С. Бушмин, Б. Г. Ефимов
Приведены результаты экспериментальных исследований сверхзвукового потока разреженного газа в вакуумной аэродинамической трубе с высокочастотным подогревателем. Показан спектральный состав газа в разрядной камере и в струе за соплом, изменение колебательной температуры в состоянии С3 П с удалением от среза сопла, зависимость величины теплового потока к модели от степени каталитической активности поверхности.
Теоретическое изучение сверхзвукового потока разреженного газа в условиях, когда отклонение от равновесного состояния газа обусловлено неравновесным возбуждением и диссоциацией молекул электронными ударами, представляется особенно трудным. Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что в электроразрядных трубах реальная картина течения оказывается более сложной, чем ее представляют, рассматривая термическое возбуждение степеней свободы в форкамере с дальнейшим замораживанием возбужденных степеней свободы молекул в сопле.
Постановка эксперимента. Исследование было выполнено на установке, детальное описание которой приведено в работе [1]. Основные элементы установки: высокочастотный генератор с частотой /=4-107 гц, охлаждаемая водой кварцевая разрядная камера с внутренним диаметром 40 мм, индуктор и камера Эйфеля с вакуумной системой. Рабочий газ (воздух) ускорялся в укороченном недорасширенном сопле с диаметром критического сечения rf* = 4 мм до числа М = 1. Дальнейший разгон газа осуществлялся в вакуумной камере в струе за соплом. Исследования проводились в разрядной камере и в сверхзвуковом потоке.
Во всех опытах анодное напряжение и анодный ток высокочастотного генератора поддерживались постоянными и равными соответственно £а = 4-103в, 1а = 0,6 а. Ток в индукторе при этих условиях был равен 2 а.
Давление газа в разрядной камере /»0==3-103 н/л*2, температура 7'о = 900°К. В вакуумной камере давление />к=1,3 н/л2. Расход газа через сопло поддерживался равным G-2-10~5 кг§сек. Давление газа в камере и за скачком уплотнения регистрировалось с помощью U-образных манометров. При измерении давления за скачком использовались насадки с внутренним диаметром 3 мм.
При измерении полного давления в разреженном сверхзвуковом потоке газа с помощью насадков учитывалось влияние чисел Рейнольдса (Re <100).
Температура газа в разрядной камере определялась по отношению давлений рОГ/рох (при разряде и без разряда) [2J. Поле температур газа в разрядной камере перед соплом исследовалось с помощью охлаждаемого калориметрического зонда с протоком газа [3].
Спектральное исследование газового потока осуществлялось с помощью спектрографа ИСП-51 с камерой, фокусное расстояние которой равнялось F= 270 мм, в разрядной камере и в сверхзвуковой струе в сечениях, отстоящих от среза сопла на расстояниях Jt=20; 40; 60 мм.
Медные теплочувствительные элементы с каталитической и некаталитической поверхностями располагались на державке диаметром D=10 мм. Диаметр теплочувствительных элементов d = 3 мм, толщина /=1,8 мм. Для создания некаталитической поверхности теплочувствительные элементы покрывались кремниевой пленкой толщиной 5 мкм. Изменение температуры теплочувствительных элементов регистрировалось с помощью зачеканенных в них медно-константановых термопар на осциллографе Н-700 и на потенциометре.
Удельные тепловые потоки к теплочувствительным элементам подсчитыва-Д Т
лись по формуле q — pci —7— где р, с, / — соответственно плотность, теплоемкость, размер теплочувствительного элемента, АТ — приращение температуры теплочувствительного элемента за время т.
Д Т
Значения—— определялись по экспериментальным кривым. Числа Дамкёлера
в газовой фазе и на стенке, рассчитанные по соотношениям работы [4], составляли соответственно Г^- я: 10 3, Гт х 10. При таких значениях и Г„, согласно
[4] можно считать, что рекомбинация возбужденных частиц в газовой фазе пренебрежимо мала, но из-за неполной рекомбинации атомов на каталитической стенке при определении степени диссоциации по показаниям каталитических зондов результат оказывается заниженным примерно на 10% (степень диссоциации газа оценивалась по соотношениям работы [5]).
Результаты экспериментов. Распределение кинетической температуры газа в разрядной камере в сечении перед соплом представлено на фиг. 1. Фотография спектра излучения газа в разрядной камере приведена на фиг. 2, а. Спектр
заполнен полосами N2 — второй положительной системы (переход С3 Пн — В3 Пг) и первой положительной (переход В3 П^— — A3 I+). В спектре видны линии возбужденных атомов кислорода (Х=7947, 7771,
6158, 4368 А).
Согласно [6] при условиях, близких к условиям наших экспериментов, заселенность колебательных уровней возбужденного электронного состояния С3 П можно характеризовать единой температурой T'v, названной .колебательной температурой в состоянии С3П“ в отличие от .колебательной температуры основного состояния” Tv.
Фиг. 1
Фиг. 2
Соотношение, связывающее интенсивность излучения с колебательной температурой в состоянии С3II, может быть получено с использованием результатов работы 171. В нашем случае для определения Тг, использованы относительные интенсивности кантов полос N2 (2+) с длинами волн Х=3998 А (1—4), 4059 А (0—3), 4343 А (0—4). Значения молекулярных констант и вероятностей переходов взяты из работу [8]. Температура Т’ъ := 3000° К.
8—Ученые записки № 6
113
В работе [6] приведены соотношения, связывающие колебательную температуру в состоянии С3П с колебательной температурой основного состояния молекул. При 7^ = 3000° температура 7"” =2400° К.
Фотография спектра излучения струи за соплом приведена на фиг. 2, б. Спектр заполнен полосами Ы2 второй и первой положительной систем. Характер изменения температуры 7^, определенной по относительной интенсивности полос N2(2 + ), с удалением от среза сопла показан на фиг. 3.
КМ I I I I I I I I I I I I Г 2000-----------------------------------
2000
/Ш0 20 10 х /03[м]
Фиг 3
1 н9гп1 • некаталитическая поверхность ° каталитическая поверхность
0 • 1
О 20 10 00 80 /00 /20 х[мм]
' 7,2 7 7 і 0 Я,2М
Фиг. 4
Анализ полученных результатов показывает, что состав воздуха, нагретого высокочастотным разрядом в форкамере при давлении /?0=3• 103 н/л«2 до температуры Т0 900° К, отличается от равновесного. В разрядной камере имеются молекулы азота, находящиеся в возбужденном электронно-колебательном состоянии, а также возбужденные атомы кислорода. В струе за соплом молекулы остаются в состоянии электронно-колебательного возбуждения на расстоянии от сопла до х = 60 мм.
Время релаксации молекул в электронно-возбужденном состоянии составляет величину т 10—4 сек, что значительно меньше известного из литературы значения времени колебательной релаксации молекул в основном электронном состоянии т г 1 сек [9].
Результаты измерений тепловых потоков в сверхзвуковой струе воздуха, нагретого с помощью высокочастотного разряда, представлены на фиг. 4. Тепловые
1 14
потоки к теплочувствительным элементам с каталитической поверхностью примерно «а 30% выше, чем к элементам с некаталитической поверхностью.
Степень диссоциации кислорода в струе газа, рассчитанная по соотношениям работы [5], составляет величину ag-x2%.
Авторы выражают глубокую благодарность В. И. Алферову за постановку задачи и постоянную помощь в работе и С. П. Янишевской за участие в проведении экспериментов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жесткое Б. Е., Ефимов Б. Г., Орлова 3. Т., О м ел и к А. И., Е р ш о в В. И. Исследование ионизации и нагрева газа в высокочастотном индукционном разряде. Труды ЦАГИ, вып. 1232,
1970.
2. Здункевич М. Д., Севастьянов Р. М., Зыков Н. А. Материалы к расчету газодинамических установок с высокими температурами торможения. Труды ЦАГИ, вып. 1165, 1969.
3. Аладьев И. Т., Кулаков И. Г., Магдасиев О. Л., Шатилов А. П. Исследование стабилизированного кольцевого разряда в аргоне. Известия Сиб. отд. АН СССР, сер. техническая, вып. 3, 1966.
4. С h u n g Р. М. and L i u S. W. Simultaneous gas-phase and surface atom recombination for stagnation boundary layer, A1AA J., vol. 1, No 4,
1963 (см. также «Ракетная техника и космонавтика", 1963, № 4).
5. Rosner D. Е. Catalltic probes for the determination of atom concentrations in high speed gas streams. ARS J., vol. 32, No 7, 1962.
(см. также „Ракетная техника и космонавтика", 1962, № 7).
6. Г а г а р и н С. Г., П о л а к Л. С., Словецкий Д. И. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы. Труды IV Всесоюзной конференции по физике и генераторам низкотемпературной плазмы. Алма-Ата, 1970.
7. Л е с к о в Л. В. О методе количественного анализа газа по электронно-колебательным спектрам двухатомных молекул. „Оптика и спектроскопия", т. IV, вып. 2, 1968.
8. Nicholls R. W. Franck — condon factor N2 and Nf. J. Res. Nat.
Bur. Stand., A-65, No 5, 1961.
9. E г о p о в Б. В., Ж и г у л е в В. Н., Кузнецов В. М. Об уравнениях аэродинамики при наличии бинарных молекулярных процессов. Доклады АН СССР, т. 164, № 6, 1965.
Рукопись поступила 31 /III 1969 г. Переработанный вариант поступил IjVI 1971 г.
