Численное моделирование и исследование физических характеристик возмущенной взрывом атмосферы в области больших градиентов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

1 9 %

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

КОСКО-ЭСКИЙ ОРДША ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФКЗИКО-ТЕХНИЧИЖИЙ ИНСТИТУТ

ПряхинскиЯ Валентин Иванович

ЧЖЛШНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗ,ШИННОЙ ВЗРЫВОМ АТМОСФЕРЫ В ОБЛАСТИ БОЛЬШИХ ГРАДИЕНТОВ

01.02.05 - механика жидкостей, газа я плазш

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ОБРАЗОВАНИЯ РСССР

На правах рукописи УДК 533.6.01

МОСКВА - 1991

Работа выполнена в Радиотехническом институте АН СССР

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Дубовой Э.И.

Официальные оппоненты - доктор физико-штештических наук,

Ведущая организация - Отдал теоретических пройдем А11 СССР

в 10 часов па заседании Специалпзироьашшго совета K063.9I.05 при Московском физико-техническом институте по адресу: г. Долгопрудный Московской области. Институтский пер.? 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫШ

профессор Росляков Г.С. кандидат физико-иат смат нческих наук, с.н.с. Чарахчъян A.A.

Автореферат разослан

Учений секретарь Специализированного совета K063.9I.05 к. ф.-м.н.

О поляков К. Г.

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертация посвящена численному моделированию взрывных процессов в атмосфере на высотах до 80 км при максимальных температурах до Ю^К. Главное требование,которое предъявлялось к численной модели, - это получение распределений физических параметров в центральной силъноионизиро-ванной области взрыва и на ее границе, где температура и электронная концентрация имеют большие градиенты в течение длительного времени.

Существует круг зад?ч,для решения которых важно иметь подробную информации об ионизированной взрывом атмосфере в области больших градиентов физических характеристик. Это задачи радиофизической диагностика плазмы, образующейся при взрывных процессах, вопросы распространения радиоволн в атмосфере, возмущенной взрывом (взрывы метеоритов, вспышки на Солнце, взрывы для искусственного вызгвания осадков, атмосферные разряды, лабораторный термоядерный синтез).

Цель работы. Разработка численной модели взрыва в атмосфере с повышенной точностью в центральной ионизированной области с большими градиентами температуры и электронной концентрации, расчет и исследование зависимостей от энерговыделения и высоты пространственно-временных распределений для взрывных процессов.(в частности для разрядов молнии).

( г

Научная новизна состоит в том, что разработана двумер- . ная численная модель взрыва в. неоднородной атмосфере на высотах до 80 юл и при температурах до Ю^К с повышенной точности

в переходном слое с большим градиентом температуры л электронной концентрации. Для этого при решении уравнений газовой динамики и переноса излучения используются лагранжэвы кольцевые сеточные линии. Обнаружено свойство приближенного подобия взрывов для разных энергий и высот.

На основе модели взрыва в атмосфере разработана численная модель возвратного удара молнии. Здесь в численную модель взрывного процесса введены диффузионные потоки, определяющие процессы переноса энергии электроламп и тяжелыми, час-

тицами. Эти процессы играют существенную роль в переходном слое на границе ионизированного канала молнии, определяют остывание канала. Рассчитаны физические характеристики ионизированного канала молнии для реально наблюдаемых диапазонов параметров тока, энерговыделений, высот. Результаты моделирования молнии использованы для решения задачи радяоотражения от ионизированного канала молнии.

Практическая ценность. Были проведены расчеты взрывов в широком диапазоне энерговыделений на различных высотах. Эти результаты использованы в прикладных работах.

Рассчнтаны физические характеристики проводящего канала молнии. Установлена зависимость энерговыделения от параметров импульса тока в молнии. Рассчитан временный ход радиолокационного сечения канала молнии для радиоволн длиной 3,10 и 200 см, что позволяет по данным радиолокации молнии оценивать энерговыделение и ток в молнии. Результаты по моделированию молнии могут быть использованы в матеоролвгии.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы докладывалось на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990), Ш Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (1990), Всесоюзной конференции "Радиофизическая информатика" (Москва, 1990).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в статьях |1,2) и в препринтах. РТИ АН СССР |3—5 ], в материалах конференций |о-81.

Объем работы. Диссертация состоит из ¡основной части - вво-дения, двух глав,заключения, списка литературы - и Приложений. Основная часть диссертации изложена на 100 страницах машинописного текста и иллюстрируется 22 рисунками, II-таблицами. Библиография содержит 7Э наименований литературных источников. Приложение) I содержит 12 страниц машинописного текста. Приложения 2,3 содержат 46 страниц таблиц расчетов взрысов п возвратного удара молнии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В вводной глазе проведен краткий обзор теоретических исследования взрнмев в однородной и неоднородной атмосфера. Из олализа литератур:!:;:: пегонгакон видно, что при расчете взрц-нп в ккодаорэдчо1! атг.-ос^орэ и температурах до 10 °К для полуг

•'п.'глл т~тс1;рг>де.'т:'П1;; Я'гакппских ьслития о цоитрашюЧ горячен чэст'! езрпвн тробустол ск<тальпад разработка ччслепиоЯ мэ;;г.-

'I об;::!С7'! ГГЛ:'::";;

Дано обоснование темы диссертации и ее актуальности, изложена цель работы, ее задачи, приводятся результаты, выносимые на защиту.

В главе 2 формулируется задача по расчету взрыва в неоднородной атмосфере с учетом переноса излучения при температурах до 105К. Рассматривается модель разлета сферического объема горячего сжатого воздуха, образующегося при выделении энергии Ео на высоте Н. Ооесиыметрячное движение газа определяется системой газодлнамических уравнения с учетом лучистого теплообмена в ХО-групповом диффузионном приближении.

В диссертации уравнения состояния воздуха для. плотностей ИГ® # £ £: Ю-9 г/см^ и температур Т ^ 10^ предлагается рассчитывать с помощью аналитических аппроксимаций Броуда и введенных поправочных коэффициентов при малых плотностях.

В чгсленной схеме разностная сетка состоит из лучей, выходящих из центра взрыва и кольцевых (вокруг центра) линий. С целью значительного уменьшения счетной диффузии в центральной части взрыва введены лагранжевые кольцевые сеточные линии. Уравнения переноса изпучения решаются методом прогонки вдоль лучей разностной сетки (секторное приближение). Уравнения газовой динамики решаются методом "распад разрыва" Годунова; используется численная реализация этого метода, предложенная Л.В.Шуршаловым.

Проверка адекватности численной модели взрыва была проведена для известных частных случаев: точечного взрыва в однородной и неоднородной атмосфэро (для совершенного газа без учета иьлуче1шя), взрывов в однородной атмосфере с учетом

высокотемпературных эффектов. Тэкао делалось сравнение наших

расчетов для взрыва "Тэк" (США, 1958.г.) с экспериментальным данными о размерах огненного шара и его скорости подъема. Согласие между ними удовлетворительное.

По результатам численного моделирования взрывов н реальной атмосфере установлено свойство приближенного подобия взрывов дог пространственно-временных-распределений температуры Т, плотности ^/ул (н) , электронной концентрации А/е , если яето-льзовать единицы длины и времени

к =3ГБо (1-осШ

р* (")

Здесь о((н) - доля энергии взрыва на высоте Н, теряемая на излучение; (Н) - давление и плотность

воздуха на высоте Н. Свойство приближенного подобия выражается в том, что в течение времени 0,01 < 0,3 пространственно-временные распределения в указанных единицах измерения относительно центра взрыва слабо зависят от энергии Е0 и высоты взрыва Н. Подъем центра взрыва происходит с постоянной скоростью, пропорциональной

^ 0,013,с"1. Показано, что в безразмерных переменных время образования вихря и его расстояние от центра взрыва слабо зависят от Ео и Н. Свойство приблихеиного подобия охватывает слабую ста-взрива з реатьной атмосфере.

В главе 3 проводится численное моделирование широко распространенного естественного взрывного процесса в атмосфере' -*-разряда молнии (возвратного удара). Исследуется формирование* и последующее остывание канала молнии.

Рассматривается разлет цилиндрического объема горячего сжатого воздуха, в котором происходит выделение энергии при импульсе электрического тока. Используется математическая модель взрывного процесса из 2-ой главы, в нее дополнительно включены объемные электрические источники тепла, сила Лоренца, (влияние собственного магнитного поля разряда) и диффузионные потоки энергии (явление переноса тякелыыи частицаш

и электронами). Поскольку под действием газодинамического расширения и переноса излучения образуется канал молнии размером всего несколько сантиметров и температура опускается до 5-6 тысяч градусов, то диффузия становится основным процессом, формирующим распределения физических величин в переходной области на границе канала.

Вычислены цространотвенно-временные распределения J>t T„tV¿ в канале молнии. Проводится сравнение расчетов с экспериментальными данными по временному ходу максимальной температуры и размерам расширившегося канала молнии. По результатам расчетов определена зависимость энерговццеления от максимального тока 1о(кА) и времени разряда £0 (икс)

Еа ~ 0,15 Jau- 't/, Jfc/CMi где сÍ =» 1,4-1,2 соответственно для /0 = 10-110 кА. Средние значения энерговыделения составляют 20-60 Дж/см.

Рассчитан временной- ход; радиолслащюнного сечения канала ыолнни для- радиоволн длиной. 3,10 и: 2ГО> см, Для определения коэффициента отражения радиоволн от канала решается дифференциальное уравнение типа Рикатти, являющееся следствием уравнений. Максвелла. Пространственно-временные распределения диэлектрической проводимости и проницаемости рассчитываются по распределениям р, Т ,Аге в канале молнии. В расчете на среднюю длину молнии 5 км радиолокационное сечение О" молнии составляет 100-500 г? при средних значе1шях энерговыделения (величина 6Г пропорциональна длине канала молнии). Длительность радиоотранения от канала молнии при средних энерговиделе-Ш1ях изменяется от 0,07 до 0,3 с в зависимости от длины волны.

В Заключении приводятся основные результаты.

В Приложениях описана структура програ;.«.и, реализующей численную схему, даны примеры распечаток на ЭВМ результатов численного моделирования взрывов и возвратного удара молнии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана двумерная численная модель взрыва в атмосфере на высотах до 80 км, обеспечивающая высокую точность расчета в области больших градиентов температуры и электронной концентрации в центральной горячей ионизированной области.

- Модель позволяет рассчитывать взрыв при начальных темле-ратурах достигающих величин порядка 10 К; перенос излучения рассчитываотся в 10-грушювом диффузионном приближении .

- Учитываются уравнения состояния реального воздуха."

- В центральной горячей области используются лагршшевы кольцевые соточные линии.

2. Получены аналитические аппроксимации уравнений состояния воздуха в диапазоне плотностей и температур

Ю-9 г/см3 ^ 1СГ5 г/см 3, Т гГ Ю5К, основанные на использовании аппроксимациошшх формул Броуда и таблицы поправочных множителей. Точность приближения - несколько процентов.

3. Установлено свойство приближенного гидродинамического

подобия взрывов в единицах измерения длины ч и Бремени

1 / ° '

В течение времени 0,01 т/^ ¿г о,3 пространственно-временные распределения (в единицах измерения и )

7~ > (н) г .А/е относительно центра взрыва

слабо зависят от энергии Ер и высоты взрыва Н; подъем центра взрыва происходит с постоянной скоростью, пропорциональной Д^ ; //§ ^ 0.013. с"1.

Эти свойства использовались в прикладных работах для интерполяционных расчетов пространственно-временных распредо-ле1шй 7~, ^р и ^ ,А/'е в горячей центральной области взрывов.

При подъеме горячей центральной области снизу в ее окрестности образуется тороидальный вихрь.

4. Разработана численная модель возвратного удара молтш, рассматриваемого как взрывной процесс; с помощью нее рассчитаны физические характеристики проводящего капала (распредолешш температуры, плотности и электронной концентрации) и определена выделяющаяся в нем энергия, В модель включены процессы переноса энергии электронами и тяжелыми частицами.

- э -

Для наблюдаемых характеристик импульса тока в возвратной ударе энерговыделение находится в интервале 10-200 Лд/см. Установлена приближенная зависимость энерговыделения от максимального тока и времени разряда(ыко):

Е0 ~ 0,15 Я?/'* , где = 1,4т1,2 соответственно для I0 =. IOflIO KA

5. Рассчитан временной ход радиолокационного сечения канала молнии для радиоволн длиной 3,10 и 200 см. В расчете на

среднюю длину молнии 5 км радиолокационное сечение молнии со-2

ставляет 100-500 м в зависимости от длины волны при средних значениях знерговццеления. Длительность радиоотражения от возвратного удара при средних знерговвделениях изменяется от

0.07.до 0,3 с в зависимости от длины волны.

Полученные временные зависимости для сечения могут быть использованы для определения энерговыделения в молнии с помощью радиолокации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Дубовой Э.И., Прялошский В.И., Читанава Г.И. Расчет энерговыделения в канале молнии. Метеорология гидрология. 1991, J6 2.

2. Дубовой Э.И., Пряжинский В.И., Бондаренко В.Е. • Численное моделирование газодинамических паршлетров молнии и радиолокационного отражения. Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1991, .'I 2.

3. Дубовой Э.И., Пряюшский В.И., Щуршалов Л.В. Численный расчет развития области взрыва в атмосфере: Препринт № 875. - М.: РТИ АН СССР. - 1987. - 68 с.

4. Бо;даренко В.Е., Дубовой Э.И., Пряшшский В.И. Теоретическое моделирование ударной волны в атмосфере при грозовых разрядах и радиолокация возникающей области турбулентности. Препринт » 879. - М.: РТИ АН СССР, - 1987. - 48 с.

5. Бондаренко В.Е., Дубовой Э.И., Пряжинский В.И. Численное моделирование грозовых разрядов и их радиолокация. Препринт № 895. - Ы.: РТИ АН СССР. - 1989. - 43 С.

6. Дубовой Э.И., Прянинский В.И. Бондаренко В.Е. .Расчет радиолокационного отражения от ионизированного какала молнии на основе численного моделирования взрывных процессов. Тезисы 1У Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству, Госкомгидромет. - Нальчик. - 19&0. - с. 131.

7. Дубовой Э.И., Пряшшский В.И. Расчет радиолокационного отражения от молнии. Тезисы Ш Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии. Гндрокетооиздат. М.: 1990. -с. 57.

8. Дубовой Э.И., ПрягшнскаИ В.И. Сцепка мощности грозовых разрядов с помощи) радиозондирования. Тезис» кг>н?ерснцш! "Радиофизическая информатика". РТИ АН ССОР. М.: 1990. -с. 32.

Регоп^г М9ГЦ, ¿ «/ 1 Р*,