Экспериментательное изучение структурной перестройки сильных ударных волн в аргоне и смеси аргона с ксеноном тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

Введение.

Глава I. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ В ГАЗАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

§1. Природа ударных волн.

§2. Законы сохранения.

§3. Адиабата Гюгонио.

§4. Релаксационные процессы.

§5. Ударная труба.

§6. Влияние стенок ударных труб.

§7. Неустойчивость фронта ударной волны.

Глава П. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.

§1. Описание методов получения сильных ударных волн.

§2. Описание установки.

§3. Измерение скорости.

§4. Оптическая система интерферометра "Маха Цендера".

§5. Элементы теории дисперсии света.

§6. Интерферометрическое изучение сильно ионизирован/ ных газов за ударной волноы. Сущность метода.

§7. Теория излучения.

7'.I.Интенсивность излучения.

7.2. Средняя интерсивность и плотность излучения.

7.3. Уравнение переноса.

7.4. Оптические спектры.

Глава Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛЬНЫХ УДАРНЫХ

ВОЛН В АРГОНЕ И В СМЕСИ АРГОНА С КСЕНОНОМ.

§1. Предисловие.

§2. Определение критических режимов структурной стройки ударных волн в аргоне.

§3. Структурные изменения зоны свечения за фронтом критической ударной волны в аргоне.

§4. Структурная перестройка ударных волн в смеси аргона с ксеноном.

В последние годы ударная труба стала общепризнанным инструментом лабораторного исследования в таких актуальных областях современной науки и техники, как аэрофизика и химическая кине -тика, газодинамика и молекулярная физика.

Это связано с тем, что в ударных трубах можно варьировать состояния газов в широком диапазоне температур, давлений и плотностей. Более того, существующая возможность контролировать параметры газа в широких пределах позволяет в лабораторных условиях исследовать физико-химические процессы, которые протекают за ударными волнами в реальных условиях.

Широко распространенное мнение о том, что ударная волна в ударной трубе распространяется по невозмущенному газу не всегда верно. Известно, что нагретый газ является источником излучения, распространяющегося во все стороны пространства, в частности и в область перед фронтом ударной волны [¿6, 47] . Холодный газ перед фронтом может поглощать часть этого излучения, вследствие чего перед фронтом может возникнуть конечная концентрация свободных электронов (до 10^ см"3) [9] , которая может изменить состояние газа перед фронтом ударной волной.

В ряде работ наблюдалась "неустойчивость" сильных ударных волн (М = 12 для Аг), которая выражалась в искривлении фронта и даже в его деструкции (например во фреоне и ксеноне ) [Ю, 16, 26, 42, 57, 58] .

При изучении этих явлений в последнее время был обнаружен пороговый характер режима ударных волн [бв] . Явление структурной перестройки является новым в газодинамике. Существующие теории структуры ударных волн основаны на том, что ударную волну можно разделить на две области: вязкий скачок уплотнения, где происходит резкое изменение поступательной энергии частиц, и релаксационную зону, в которой протекает процесс установления полного статистического равновесия. При этом считается» что изменение параметров в релаксационной зоне является монотонным. Монотонность изменения параметров в релаксационной зоне является следствием двух предположений. Во-первых, считается, что газ перед фронтом ударной волны не возбужден и находится в равновесии. Во-вторых, в релаксационной зоне рассматриваются только эндотермические процессы [9] . Оба эти условия не всегда выполняются в сильных ударных волнах, что может приводить к изменению структуры ударной волны.

Чтобы разобраться в этих явлениях, нужно последовательное изучение характеристик газа в режиме неустойчивости ударных волн.

Существует ряд работ, посвященных изучению состояния газа за и перед фронтом ударной волны. Однако в этих работах рассматривалось влияние^факторов, роль примесей Й4] • учет отражательной способности стенок ударной трубы Ьв] , влияние свободных электронов перед фронтом ударной волны [58] , испарение со стенок ударной трубы перед фронтом вследствие излучения нагретого газа за фронтом ударной волны &бЗ и Т*Д*

Вместе с тем общая картина возникновения возмущений в фронтовой области по-существу остается невыясненной, именно поэтому одной из задач физической газодинамики является изучение структуры ударных волн и происходящих в них процессов преобразования видов энергии.

Целью настоящей работы является изучение фронтовой области при различных числах Маха и выяснение особенностей распространения сильных ударных волн. Настоящая работа представляет собой часть цикла работ по изучению нелинейных эффектов при конечных возмущениях в газе, проводимых на кафедре молекулярной физики, физического факультета МГУ. Она посвящена экспериментальному изучению режимов структурной перестройки ударной волны в аргоне и смеси аргона с ксеноном и выяснению сопутствующих эффектов.

Исследования проводились на двухдиафрагменной трубе» изготовленной на кафедре молекулярной физики [20] . Объектом исследования служил аргон и смесь аргон-ксенон, выбор объекта обусловлен следующими причинами:

1. Исследованию ударных волн в аргоне посвящено большое число работ, поэтому для контроля можно провести сравнение с известными данными.

2. Большой атомный вес Аги Хе способствует достижению высоких температур за ударной волной и получению больших чисел Маха.

3. Аргон - компонент воздуха I%),

Отличительной чертой данной работы является также регистрация в одном опыте скорости ударной волны по двум базам, что позволило получить информацию об изменении скорости ударной волны вдоль ударной трубы, и регистрацию собственного излучения на одну и ту же фотопленку вместе с интерферограммой.

Настоящая работа выполнена на кафедре молекулярной физики физического факультета МГУ под общим руководством А.И. Осипова. Тему диссертации предложил А.П. Рязин. Им же осуществлялось непосредственное руководство работой. В руководстве также принимал участие А.И. Соколов.

- 7

Диссертация состоит из трех глав.

Основные результаты и выводы

1. Проведено комплексное интерферометрическое и спектроскопическое исследование структурной перестройки ударных волн в аргоне и в смеси аргона с ксеноном при разных давлениях и скоростях ударной волны.

2. Разработана и реализована методика определений скорости ударной волны по двум базам, позволившая исследовать структурную перестройку ударной волны.

3. Разработана и реализована методика регистрации в одном опыте собственного излучения и интерференционной картины ударной волны.

4. Впервые получены количественные данные о границах режима структурной перестройки ударных волн в аргоне в зависимости от давления и скорости (числа Маха). На основании этих данных объясняется, почему в известных экспериментах Петчика и Байрона не обнаружен эффект структурной перестройки ударных волн.

5. Построена исправленная по сравнению с данными Петчека и Байрона зависимость характерного времени ионизации от обрат ной температуры.

6. Впервые обнаружена Структурная перестройка зоны свечения за фронтом ударной волны в области критических режимов распространения.

7. При объяснении экспериментальных данных высказано предположение о принципиальной роли возбужденных компонентов в изменении кинетического механизма ионизации.

- 94

1. Abt H.A., Melnel Y/., Morgan and J.Tapscott. An atlast>f low dispersion stellar spectra arid spectral lines, Kit Peak National Observatory, Steward Observatory, and York Observatory, ïîew Yor, I969.

2. Баженова T.B., Гвоздева Л.Г. Ударные волны в реальных газах. М., Наука, 1968.

3. Барышников A.C., Бедин А.П., Масленников В.Г., Мишин Г.И. О неустойчивости фронта головной ударной волны. Письма в ТО, т. 5, вып. 5, 1979, с. 281-284.

4. Барышников A.C., Скворцов Г.Е. Неустойчивость ударных волн в релаксирущей среде. ЖТФ 49, н. II, 1979, с. 2483-2485.

5. Бедин А.П., Мишин Г.И., Рязин А.П., Скворцов Г.Е., Ющенкова Н.И. Аномальная релаксация и неустойчивость ударных волн в газах. Меж,пународная школа-семинар "Высокотемпературная газодинамика, ударные трубы и ударные волны", Минск, 1983,с. 161-166.

6. Белова A.B., Буровцева А.И., Ковалев М.А., Матвеев С.К. Лабораторный практикум по аэродинамике. Учебное пособие, ЛГУ, Ленинград, 1980.

7. Bird G.A. Molecular Gas Gynamics, Clarendon Press, Oxford, 1976.

8. Бондаренко A.B., Щучаев Ф.В. Нелинейные волновые возмущения в идеальном газе, Учебное пособие к спецкурсу "Газодинамика", кафедра молекулярной физики, физический факультет, МГУ, M., 1978.

9. Булишев А.Е., Преображенский Н.Г., Суворов А.Е., Яков-хозяев В.И. К вопросу о плотности электронов перед фронтом ударной волны в аргоне. ШТФ, вып. 9, 1977, с. I99I-I992.

10. Valentin,?., Pinegne М., GR Acad Sci. B2I5-B2I9,1. Д: ff, 1975, pp. 280.

11. Войтенко А.Е. Получение газовых струй большой скорости ДАН СССР 158, № б, 1964, с. 1278-1280.

12. Gaydon A.G., Hurl I.R. The Shock tube in high temperature chemical physica, Chappman and Hall, London, I963.

13. Gier H.L., Jones T.G. Aninvestigation of a double•diaphgram shock tube with a detonable buffer gas. Procedingsof the IX Conference on shock tubes and shock waves, Toronto,

14. Canada, 1981, pp. 272-290.

15. Glass I.I., Liu W.S., Effects of hydrogen impurites .on shock structure and stability in ionizingmmonoatomic gases

16. Part I. Argon. J. Fluid Mech. v. 84, pt. I, 1978, pp. 55-77.

17. Гордеев B.E. ДАН СССР 239, 1978, с. 117.

18. Griffiths fi.W., Sandeman R.J., Horung H.G., The stability of shock waves in ionizing and disociating gases, J.Physics D.Appl. Physics, v. 8, 1975, PP. I68I-I69I.

19. Дьяков С.П. Ш 27, 1954, с. 88-95.

20. Зайдель A.H., Осифовская Т.В., Островский Ю.И. Тез-ника и практика спектроскопии. М., Наука, 1972.

21. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Наука, М., 1963.

22. Коньков А.А., Рязин А.П., Соколов А.И. Двухдиафрагмен-ная ударная труба для получения плотной термической плазмы". ТВТ, т. 12, № 4, 1974г., с. 806-810.

23. Ландау Л.Д., Лишнец Е.М. Механика сплошных сред, пит. М., 1964.

24. Ландсберг Г.С. Оптика, Наука, М., 1976.

25. Лебушер, Цинегер, Валентин. Изучение свойств ударных волн, распространяющихся со скоростью 8-15км/сек с помощью специальных ударных труб. Ракетная техника и космонавтика, 10, № 5, 1972, с. I80-I8I.

26. Leighton R., Principles of modern Р^Уз1св» McGraw Hill, New York, 1959.

27. Макаров Ю.В., Чекалин Э.К. Физические процессы в электромагнитных ударных трубах. М., Атомиздат, 1968, с. 78-83.

28. McChesney М., Z, AI Attar, Continumn radiation losses .in shock heated Argon, JQRSI, No: 5, 1965, pp. 553-558.

29. Мишин Г.И., Бедин А.П., Ющенкова Н.И, Скворцов Г.Е., Рязин А.П. Аномальная релаксация и неустойчивость ударных волн в газах. ЖТФ, т. 51, вып. 4, 1981, с. 2315-2324.

30. Mihalas Dimitri Stellar atmospheres, W.H. Freemanand Co., Sanfransisco, 1978.

31. Нагамацу. Основные результаты экспериментов на ударных трубах. Под ред. Ферри, М., Госиздат, 1963.

32. Огурцова H.H., Подмошенский И.В., Демидов М.И. Импульсный источник света с излучением, подобным излучению абсолютного черного тела при температуре 40000°К. Оптико-механическая промышленность I, № I, I960, с. 1-5.

33. Огурцова H.H., Подмошенский И.В., Демидов М.И. Энергетическая калибровка излучения импульсного источника света ЭВ-45/ЭВ-34 в ультрафиолетовой области спектра. Журнал "Прикладная спектроск.", 9, № 3, 1951, с. 365-368.

34. Осипов А.И., Ряэин А.П., Суфиан Аслам. Структурные особенности сильных ударных волн в аргоне и смеси аргонас ксеноном. Доклад на межд. школе-семинаре "Высокотемпературная газодинамика, ударные трубы и ударные волны, Минск, 1983.

35. Планк М. Теория теплового излучения. М, ГТИ, 1936.

36. Плешанов A.C. К теории устойчивости ударных волн. Физика горения и взрыва. № 3, 1975, с. 464-467.

37. Плешанов A.C. Об абсолютной устойчивости ударных волн. Физика горения и взрыва, № I, 1968, с. 95-99.

38. Плешанов A.C. Влияние релаксации на линейную устойчивость ударных волн. Физика горения и взрыва. № 3, 1981,с. I16-122.

39. Простоев A.C. Ющенкова Н.И. Механизм электронной релаксации за фронтом сильных ударных волн. Письма в ЗКТФ том 8, вып. 9, 1982, с. 523-527.

40. Прохоров A.M. (ред.) Физический энциклопедический' словарь. Советская энциклопедия, М., 1983.

41. Petschek Н., Byron S., Approach to equilibrium ionization behind strong shock waves in Argon, Ann. of Physics, I, .No: 3, 1957, pp. 270-315.

42. Риман Б. О распространении волн с конечной амплитудой. Соч. гостехиздата, М., 1948.

43. Рязин А.П. Исследование сильно ионизированных газов за ударной волной. Спецпрактикум каф. молек.физики, физфак МГУ: М., 1982.

44. Рязин А.П. Ионизационная неустойчивость ударных волн в ксеноне. Письма в ЖГФ, т. 6, вып. 9. 1980, с. 516-520.

45. Савров С.А., Агеев И.М. Лабораторная взрывная ударная труба. ТВТ, т, 18, н. 6, 1980, с. 1257-1262.46» Candon Е., Shortley G., Theory of Atomic spectra, .Cambridge, Cambridge University press, 1962.

46. Севастьяненко В.Г., Якубов И.Т. Радиационное охлаждение газа, нагретого сильной ударной волной. Оптика и спектроскопия, т. 16, вып. I, 1964.

47. Соколов А.И. Экспериментальное исследование состояния ионизированного газа за падающими и отраженными ударными волнами при числах Маха 10 * 25.Канд.дисс.физфак,МГУ, Москва, 1977.

48. Solukin R.I., Shock tube diagonistics instrumentation end fundamental data, Procedings of the IX conference on shock Aube and shock wave phenomena, Toronto, Canada, I9BI, pp.662-706.

49. Стрйганов A.P., Свентицкий H.С. Таблицы спектральных линий, нейтральных и ионизированных атомов, Атомиздат, M., 1966.51'. Ступоченко Е.В., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. Наука, 1965.

50. Суфин Аслам, Рязин А.П., Трапезников В.Е. Экспериментальное изучение особенностей структуры сильных ударных волнв аргоне. Доклад на школе-семинаре "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных газах. Совет молодых ученых, МГУ, 1982.

51. Тумакаев Г.К., Масленников В.Г., Серова Е.В. О неустойчивости течения за ударными волнами большой интенсивности в одноатомных газах. Письма в ЖТФ, т. 6, вып. 6, 1980, с. 354358.

52. Тумакаев Г.К., Степанова З.А. О пороговом характере подавления флюктуации излучения ударно-нагретой плазмы одноатомных газов (М 9 * II). ЖТФ, II, 1982, с. 2305-2307.

53. Унзольд А. Физика звездных атмосфер. Инлит, М., 1949.

54. Ферхат Б. Экспериментальное изучение особенностей распространения сильных ударных волн в ксеноне. Канд.дисс., МГУ, 1979.

55. Хэншел Б.Д. Использование многодиафрагменной схемы в ударной трубе. Ударные трубы, сб., ИШ1, М., 1962, с. 190218.- 108

56. Ющенкова Н.И. О механизме релаксационной неустойчивости в ударных волнах инертных газов, Письма в ЖГФ, т. 6, вып. 21, 1980, с. 1283-1288.