Исследование термодинамических и оптических характеристик и коэффициентов переноса многокомпонентной слабо неидеальной атомарной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

УДК 537.562 На правах рукописи

□и3478Б02

Михайлов Денис Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕНОСА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СЛАБО НЕИДЕАЛЬНОЙ АТОМАРНОЙ

ПЛАЗМЫ

Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ОКТ 2009

Москва-2009

003478582

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ю.С. Протасов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Грибков доктор физико-математических наук, профессор Ю.А. Лебедев

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН

Защита диссертации состоится 21 октября 2009 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного Совета Д.212.141.08 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д.1, кор. «Энергомашиностроение»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ученому секретарю диссертационного Совета Д.212.141.08

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.В. Перевезенцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди передовых научно-технических программ особое внимание уделяется новейшим плазменным и фотонным технологиям высокой плотности мощности. С использованием плазмы - как активной среды энергетических и технологических установок - связан целый ряд перспективных проектов, призванных внести существенные изменения в общую энергетику, высокую технологию машино-приборостроительного цикла; с созданием же принципиально новых плазменно-фотонных устройств и систем сопряжено расширение как диапазона изменения основных параметров плазмы, так и номенклатуры плазмообразующих веществ. Для исследований и разработок перспективных плазменных и радиационно-плазмодинамических систем, физического и численного моделирования рабочих процессов в них, особенно актуальна проблема создания банков данных по термодинамическим, оптическим, переносным и др. физико-химическим свойствам плазмы: металлов, диэлектриков и газов. При значительной потребности в характеристиках плазмы сложного химического состава, в литературе имеется весьма ограниченный объем информации такого рода. Это связано, во-первых, с принципиальными экспериментально-теоретическими трудностями, возникающими при многофакторном анализе свойств плазмы высокой концентрации (щ > 10п см"3) из-за мало изученного влияния плазменного окружения на внутренние состояния атомов и ионов (т.н. неидеальность плазмы); во-вторых, с высокой трудоемкостью вычислений; в-третьих, с проблемой представления, автоматизированной обработки, хранения и использования больших массивов необходимой информации.

Одной из основных особенностей конца XX столетия, определившей прогресс в третьем тысячелетии, является стремительный рост объема информационных ресурсов. Решающую роль в этом процессе играет сеть Интернет, и, в первую очередь, Word Wide Web. Сегодня Интернет - это конгломерат сетей, соединенных друг с другом, который обеспечивает пользователям разнообразные виды информационного сервиса: пересылку файлов и сообщений, удаленный доступ, сеансовый и интерактивный режим работы, бизнес-информацию, новости и т.д. Сегодня Internet/Intranet устойчиво ассоциируется с Web: каждая страница и графическое изображение поступают с какого-либо Web-cepBepa. Web-серверы включают средства управления информационным узлом, которые характеризуют общую организацию узла Web, и инструменты проверки правильности внутренних и внешних гипертекстовых связей.

Исходя из реальных потребностей численного и физического моделирования рабочих процессов плазменных и фотонных энергоустановок в формализме радиационной газо- и плазмодинамики, физики взаимодействия мощного излучения с веществом и др., практический интерес представляют дан-

ные об ионизационном составе, термодинамических функциях, оптических и транспортных (переносных) характеристиках плазмы сложного химического и ионизационного состава в широком диапазоне изменения ее параметров -температуры (7"~10-1—103 эВ), плотности (р~10"4-102кг/м3) и энергии квантов (/¡V- КГ-Ю4эВ).

Получение надежной количественной информации по каждому из этих разделов является самостоятельной экспериментальной и расчетно-теоретической задачей, а результат исследований и разработок — генерация предметных баз данных. Совокупность тематических баз данных отдельно по каждому разделу должна формировать банки данных общих физико-химических характеристик плазмы; генерация таких банков данных является сложной задачей, т.к. ведется двумя путями: как расчетно-теоретическим, так и экспериментальным. Дополнительное требование к системе наполнения банков данных - ее универсальность (невозможно предсказать полную номенклатуру элементов, веществ и соединений, данные о которых могут потребоваться в конкретном инженерном анализе и проектировании широкого спектра плазменных и фотонных устройств и систем). Таким образом, задача создания банков данных по термодинамическим, оптическим и транспортным свойствам многокомпонентной плазмы (БД «ТОТ»), заключается в:

1) создании комплекса программ для расчета оптических, переносных и термодинамических свойств многокомпонентной плазмы в широком диапазоне изменения основных ее параметров (температуры, концентрации частиц и энергий квантов). Такой комплекс должен удовлетворять следующим требованиям: во-первых, выполнять большое число чисто вычислительных операций (учет только элементарных радиационных процессов требует вычислять сечения и другие сопряженные характеристики как минимум ~ 104 переходов); во-вторых - поддерживать достаточно объемную базу данных по квантовомеханическим состояниям атомов и ионов (до 104 состояний на каждый ион, сотни тысяч состояний на элемент); в-третьих - быть открытым для дальнейшего развития и модификации, позволять с малыми затратами заменять или добавлять новые физические методики расчета и анализа; в-четвертых - позволять получать результаты с минимальными затратами времени;

2) генерации энциклопедического автоматизированного банка данных с открытым входом по термодинамическим, оптическим, транспортным свойствам многокомпонентной плазмы на основе разрабатываемого комплекса программ. Такой банк данных должен представлять информационную систему, которая позволяла бы получать необходимую справочную информацию в максимально удобном виде, быть легко модифицируемой в соответствии с изменением расчетных моделей, удовлетворять современным требованиям и стандартам, быть сопрягаемой с информационными системами высокого уровня.

Цель работы - создание банка экспериментальных и расчетно-теоретических данных термодинамических, оптических и транспортных характеристик многокомпонентной плазмы в широком диапазоне изменения основных параметров: температуры (7^5-5000 кК), плотности (р~10_4-102 кг/м3), энергии квантов в спектре поглощения .1—1 ООО эВ) с организацией доступа к системе расчетов через Интернет.

Основными задачами, решаемыми в работе, являются:

- разработка комплекса методик расчета ионизационного состава, термодинамических функций и оптических характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда, позволяющего проводить многопараметрическую оптимизацию рабочих процессов в плазменных технологических и энергетических установках, использующих в качестве активных сред плазмообразующие вещества сложного химического состава;

- создание комплекса служебных программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических функций и оптических характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда (АСНИР «ТОТ-МГТУ») с применение объектно-ориентированного подхода и сопряжением с объемными базами данных для задач численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности;

- экспериментальное определение химического состава, спектральных коэффициентов поглощения плазмы простого и сложного химического состава в газоразрядных ячейках широкого диапазона плотностей и температур, проведение сравнительного анализа экспериментальных и расчетно-теоретических данных основных оптических характеристик многокомпонентных плазм элементов полимерного ряда;

- создание банков расчетно-теоретических и экспериментальных данных, включающих: 1) базы данных по квантовомеханическим характеристикам атомов и ионов - базы данных «ТОТ-состояния»; 2) термодинамические функции (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, адиабатная скорость звука, термическое уравнение состояния) - базы данных «ТОТ-термодинамика»; 3) оптические характеристики (коэффициенты поглощения в непрерывном дискретном спектрах, интегральные характеристики спектра поглощения, эффективные степени черноты) - базы данных «ТОТ-оптика», «ТОТ-линии» - плазмы элементов полимерного ряда (Н, С, О, И, Б, БО и их смесей в диапазоне температур Т~5-5000 кК и плотностей р~10"4-102 кг/м3 и энергий квантов /гу~10_|-103 эВ.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:

1. На основе анализа теоретических моделей разработан оптимизированный комплекс методик для массовых расчетов ионизационного состава, тер-

модинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы, позволяющий проводить многопараметрическую оптимизацию рабочих процессов в технологических и энергетических плазменных установках, использующих в качестве активных сред различные плазмообразующие вещества в широком диапазоне изменения основных параметров: температуры (Г~5-5000 кК), плотности (р-Ю^-Ю2 кг/м3), энергии квантов в спектре поглощения (fcv~0.1-1000 эВ).

2. Создан комплекс программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических, оптических и транспортных характеристик такой плазмы. Объектно-ориентированный подход и формат представления входной и выходной информации позволили сделать АСНИР ТОТ МГТУ открытой для дальнейшего развития, поддерживать объемные базы данных и обеспечить широкие возможности ее использования в задачах численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности.

3. Решена задача по созданию Интернет-приложения по удаленному доступу к разработанному программному комплексу. Выполнен анализ Web-ресурсов сети Интернет как объектов проектирования и оптимизации, проведена декомпозиция информационного пространства, выполнен синтез страниц, организовано взаимодействие между программным комплексом и пользователем данного ресурса.

На уровне представления данных создан пользовательский интерфейс (web-сайт) с использованием технологии EXE CGI с компонентами навигации, позволяющими пользователям выбирать необходимые варианты расчетов, а также модифицировать входные данные для расчетов термодинамических, оптических и транспортных свойств плазмы сложного химического и ионизационного состава в широком диапазоне изменения ее параметров.

4. В результате массовых расчетов впервые получена широкомасштабная база данных по ионизационному составу, термодинамическим (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорные теплоемкости, уравнения состояния, эффективный показатель адиабаты, адиабатическая скорость звука и др.), транспортным (электропроводность, теплопроводность, вязкость, коэффициенты диффузии и др.), оптическим (спектр коэффициентов поглощения, многогрупповые эмиссионные спектры по Планку и Росселанду, степени черноты и др.) характеристикам газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности (в том числе - инертных газов, газовых смесей сложного химического состава, сложных диэлектриков, полимеров, композитов, металлов) в широком диапазоне параметров (температур 0,1 - 100 эВ, плотностей 10"4— 102 кг/м3, энергий квантов 0,1 -103 эВ...)

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методик измерения и воспроизводимостью результатов, подтверждается сравнением экспериментальных и расчетных результатов с данными других авторов.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что полученные данные необходимы при проектировании широкого круга плазменных процессов и устройств, использующих в качестве рабочих веществ элементы полимерного ряда. Разработанный комплекс методик и программ может быть использован для численного исследования термодинамических, оптических и транспортных характеристик равновесной многокомпонентной плазмы сложного химического и ионизационного состава, причем номенклатура плазмообразующих веществ ограничена только базой данных по энергетическим уровням атомов и ионов, которая на сегодняшний день включает данные для 30 элементов.

Личное участие автора заключается в проведении исследований и анализа по всем разделам работы, автор принимал равноправное участие в создании программного комплекса расчета термодинамических, оптических и переносных характеристик многокомпонентной плазмы, в проведении экспериментов, численного моделирования и в анализе полученных результатов.

На защиту выносятся:

- результаты численного исследования ионизационного состава, термодинамических функций, коэффициентов поглощения и транспортных характеристик равновесной плазмы газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности (в том числе — инертных газов, газовых смесей сложного химического состава, сложных диэлектриков, полимеров, композитов, металлов) в широком диапазоне параметров (температур 0,1-100 эВ, плотностей 10~4-102 кг/м3, энергий квантов 0,1 - 103 эВ...);

- оптимизированный комплекс методик для массовых расчетов ионизационного состава, термодинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы в широком диапазоне изменения основных параметров (концентрации, температуры, энергии квантов);

- программный комплекс удаленного расчёта (интернет-приложение) термодинамических, оптических и транспотрных характеристик многокомпонентной плазмы «ТОТ-МГТУ-08».

Апробация работы и публикации.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах УНЦ ФЭ; на I Международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», Москва, Россия, 2004 г.; Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, Россия, 2005 г.; V Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology, Минск, 2006г.; конфе-

ренции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики», Москва, 2006 г.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений, содержит 214 страницы текста, в том числе 63 рисунка, 25 таблиц, список использованной литературы включает 194 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, кратко описана структура работы и перечислены основные положения, выносимые автором на защиту.

Глава 1 посвящена созданию математических моделей и программных компонент расчета термодинамических характеристик и ионизационного состава многокомпонентной атомарной равновесной плазмы, являющихся конкретным наполнением методов объектов детализации. Выполнен анализ методик расчета термодинамических характеристик и ионизационного состава многокомпонентной слабонеидеальной плазмы и на основе сопоставления рассмотренных методик с требуемым диапазоном расчета проведен выбор физической модели для последующей алгоритмизации. Приводятся методики расчета, которые реализованы в виде программного комплекса с базами данных, позволяющими рассчитывать свойства многокомпонентной плазмы (ограничение по количеству элементов связано с реальным наполнением баз данных и может быть увеличено путем занесения данных по энергетическим уровням атомов и ионов из справочной литературы и научной периодики). Парциальный состав и термодинамические функции многокомпонентной плазмы определялись, используя систему уравнений Саха-Эккерта, с учетом неидеальности (по кольцевому приближению в большом каноническом ансамбле). Приводятся результаты вычислительного эксперимента с использованием разработанного комплекса программ. Созданы базы данных по ионизационному составу и термодинамическим свойствам (давление, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, изобарная и изохорная теплоемкости, показатели адиабаты, уравнения состояния, скорость звука) плазмы элементов полимерного ряда и их смесей как функций от плотности и температуры (в диапазонах по плотности от Ю-4 до 102 кг/м3 и температуре от 5 до 5000 кК) («ТОТ-термодинамика»), Генерация баз данных проведена расчетным путем, и в доступных областях диаграммы р-7" проведено сравнение представленных результатов с экспериментальными и теоретическими данными (см. гл. 6). В электронной версии, представленные результаты легко модифицируемы - имеется возможность «увеличения» и «уменьшения» любой интересуемой области.

Глава 2 посвящена исследованию оптических характеристик многоком-

понентной атомарной плазмы: созданию математических моделей и программных компонент расчета, являющихся конкретным наполнением методов объектов детализации программного комплекса и выполнению цикла экспериментальных исследований по определению спектральных коэффициентов поглощения плазмы простого и сложного химического состава в газоразрядных ячейках широкого диапазона плотностей и температур.

Расчет коэффициентов поглощения излучения в непрерывном спектре основан на определении парциального вклада от сечений фотоионизации электронных оболочек атомов и ионов смеси, учитываемых индивидуально, тормозного спектра по формуле Крамерса с множителем Гаунта и интегрального учета сечений фотоионизации высоковозбужденных состояний. Метод расчета фотоионизационных спектров основных и низковозбужденных валентных и внутренних оболочек основан на известном законе подобия сечений фотоионизации атомов и ионов различной кратности ионизации по квантовым числам оболочек ни/. Аппроксимационные формулы метода расчета реализованы для атомов и всех ионов 26 элементов.

Расчет сечений фотоионизации возбужденных состояний с главным квантовым числом, большим, чем у основного состояния внешнего электрона проводился по методу квантового дефекта. Методика учета влияния неидеальности плазмы на непрерывный спектр поглощения излучения основывалась на использовании закона подобия по зарядовому числу.

Расчет сил осцилляторов производился по методу Бейтса-Дамгаард, используя базы данных по квантово-механическим состояниям атомов и ионов. Параметры уширения и профиль линий определялись в приближении ударного (штарковского) уширения электронами и квазистатистического уширения ионами с учетом доплеровского механизма.

Приводятся результаты вычислительного эксперимента с использованием автоматизированной системы научных и инженерных расчетов АСНИР «ТОТ-МГТУ» на примере генерации баз данных оптических свойств для плазмы азота, кремния и фторопласта.

Созданы базы данных по параметрам разрешенных оптических (диполь-ных) переходов (длина волны, сила осцилляторов, параметры штарковского уширения в поглощении) атомов и ионов («ТОТ-линии») элементов полимерного ряда. Информация представлена в табличном и электронном виде и содержит следующие данные для каждого разрешенного дипольного перехода: электронная конфигурация нижнего состояния; электронная конфигурация верхнего состояния; спиновой, орбитальный, полный моменты и четность нижнего состояния; спиновой, орбитальный, полный моменты и четность верхнего состояния; энергия нижнего и верхнего состояний; длина волны перехода; сила осциллятора; параметры штарковского уширения.

В результате исследований создана база экспериментальных и расчетно-теоретических данных по оптическим свойствам атомарной многокомпо-

нентной неидеальной плазмы («ТОТ-оптика») плазмообразующих элементов полимерного ряда и их соединений как функций от энергии квантов, плотности и температуры плазмы (в диапазонах: плотности от Ю-4 до 102 кг/м3, температуры от 5 до 5000 кК и энергии квантов излучения от Ю-1 до 103 эВ) в виде суммарных спектров поглощения, многогруппового осреднения по Планку и Расселанду, многогруппового осреднения с учетом оптической толщины среды, а также коэффициента поглощения излучения в непрерывном спектре.

Все перечисленные базы данных представляют собой набор структурированной физико-химической информации в форме таблиц, графиков, а также в текстовом (ASCII) формате.

В главе 3 приведены методики расчёта, которые были использованы при наполнении банка данных по транспортным свойствам неидеальной плазмы сложного химического состава.

Вычисление коэффициентов переноса базировалось на принципе раздельного описания процессов электронного и ионного транспорта. Основные положения и допущения методик теплофизического расчета состоят в следующем:

1. Плазма рассматривается как однородная квазинейтральная газообразная смесь свободных электронов и тяжелых частиц - атомов различных видов и их ионов различной кратности. Случаи присутствия в плазме молекулярных и интермолекулярных образований (молекул, столкновительных комплексов, кластеров и т.п.) данной методикой не описываются.

2. Процессы ионизации атомов и ионов считаются обратимыми химическими реакциями. Данный подход к теории плазмы широко известен как "химический" и наиболее часто применяется для решения практических задач.

3. Время химической релаксации считается бесконечно малым по сравнению со временем релаксации гидродинамической, что позволяет применить к описанию процессов переноса приближение локального термодинамического равновесия (J1TP).

4. Принято допущение бесконечной малости массы электрона по сравнению с массой иона либо атома, которое позволяет: во-первых, считать, что перенос заряда в плазме осуществляется только электронами; во-вторых, пренебречь влиянием электронов на вязкость; в-третьих, рассматривать поток тепла в плазме как сумму электронной и ионной составляющих, вычисляемых независимо друг от друга.

5. Перенос энергии связанными электронами не рассматривается. Влияние возбужденных состояний атомов и ионов учитывается лишь при расчете тепловых эффектов реакций ионизации. Все столкновения частиц считаются упругими за исключением перезарядки атома на собственном однозарядном ионе.

Используя перечисленные допущения показано, что электронные коэффициенты переноса целесообразно рассчитывать по формулам Фроста. Данный метод очень удачно использует специфику плазмы (малая величина электронной массы) для оптимизации алгоритма расчета электронных транспортных свойств по критериям «быстродействие-точность». Кроме того, он не так чувствителен к неточностям определения сечений рассеяния частиц как метод Чепмена-Энскога. Для вычисления поправки Спитцера-Хэрма, учитывающей влияние электрон-электронных столкновений, автором была предложена аппроксимационная формула. Так же автором была разработана оригинальная методика расчета транспортного сечения рассеяния электрона на атоме, объединяющая два предельных случая - рассеяние медленных и быстрых электронов на основе модифицированного приближения Глаубера. Это методика автоматически реализуется в случае отсутствия входной базы данных по электрон-атомным сечениям рассеяния.

Ионные коэффициенты переноса рассчитывались методом Чепмена-Энскога. Суть метода состоит в решении системы уравнений Больцмана, записанных для каждого сорта частиц, присутствующих в плазме. Решение ищется в виде разложений функций распределения частиц в степенные ряды по числу Кнудсена (т.е. отношению длины свободного пробега частицы к макроскопическому размеру плазменного объема), которое полагается бесконечно малым. Таким образом, каждая неравновесная функция распределения представляется в виде суммы равновесной максвелловской функции распределения и малой неравновесной добавки. Квадратичные и более старшие члены рядов затем отбрасываются. В итоге, потоки (массы, заряда, импульса и т.д.) представляются в виде линейных комбинаций градиентов (концентрации, температуры, потенциала и т.п.), а коэффициенты пропорциональности - коэффициенты переноса - зависят только от термодинамических параметров среды и двухчастичных столкновительных интегралов.

Выяснение конкретного вида данных зависимостей проводится с помощью разложения неравновесных добавок к функциям распределения в ряды по ортогональным полиномам Сонина. Число используемых при этом ортогональных полиномов определяет порядок метода Чепмена-Энскога. Таким образом, столкновительные интегралы зависят от порядка метода, масс взаимодействующих частиц, температуры плазмы и потенциала парного межчастичного взаимодействия.

Трудность применения метода Чепмена-Энскога к плазме вызвана тем, что большая разница электронной и ионной масс вынуждает повышать порядок метода до 4 и выше. Такое повышение порядка разложения поднимает требования к точности определения потенциалов взаимодействия частиц до уровня, которого невозможно достичь, если для расчета межчастичных потенциалов использовать быстродействующие и универсальные алгоритмы. Особенно остро данная проблема касается взаимодействия «заряд-нейтрал».

В случае только ионных коэффициентов переноса проблема «разности масс» снимается, поэтому для их расчета применялись методы Чепмена-Энскога невысоких (первого, второго) порядков. Потенциалы взаимодействия тяжелых заряженных частиц считались кулоновскими, экранированными по Дебаю, что методологически соответствует учету плазменной неидеальности с помощью кольцевого приближения.

Автором предложены аппроксимационные формулы для расчета интегралов столкновения ряда модельных потенциалов.

В результате проведения вычислительного эксперимента, создана база данных по транспортным (электропроводность, теплопроводность, вязкость, коэффициенты диффузии и др.) характеристикам газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности (рис.1).

Глава 4 посвящена анализу: общих принципов построения автоматизированной системы научных и инженерных расчетов для определения термодинамических, оптических и транспортных характеристик многокомпонентной атомарной плазмы (АСНИР «ТОТ-МГТУ»); созданию иерархической структуры на основе принципа открытости комплекса для дальнейшего развития, поддержки объемной базы данных и возможности использования результатов, частей и всего комплекса в задачах численного моделирования реальных плазменных устройств. Определяются основные положения проведения вычислительного эксперимента по нахождению оптических и термодинамических характеристик многокомпонентной атомарной плазмы, проводится анализ диапазонов изменения входных параметров, определяется номенклатура учитываемых элементарных радиационных процессов и формируются и обосновываются основные принципы алгоритмизации поставленной задачи, включая решение следующих укрупненных подзадач: определение - парциального состава и термодинамических функций; сечений фотоионизации оболочек атомов и ионов; коэффициентов поглощения излучения в непрерывном спектре; сил осцилляторов, параметров уширения и профиля линии разрешенных дипольных переходов; суммарного (непрерывный + линии) спектра поглощения излучения; интегральных характеристик эмиссионного / абсорбционного спектра.

Для решения отмеченных подзадач необходимы следующие входные данные (в случае полного или локального термодинамического равновесия): плотность, температура, элементный состав плазмы, а также генерация баз данных по энергетическим уровням атомов и ионов, входящих в плазмообра-зующую смесь. Как базовый определен следующий диапазон изменения основных параметров плазмы: температуры 7М—100 эВ; концентрации Л'0~1О15—1019 см"3; энергии квантов излучения /гу~10_1-103 эВ.

Рассмотрены принципы построения баз данных по энергетическим состояниям атомов и ионов плазмообразующих элементов («ТОТ-состояния»), предложена иерархическая структура данных и рассмотрен интерфейс с ком-

плексом программ. Приводится современная библиография для наполнения баз данных и рассмотрены возможности разработки и совершенствования системы управления базами данных.

| Нг(30%)-ИХ18Н9Т(20%)| ' - ■' ...I.....

1п= 0,1 кг/м5 К V

I р»1 кг/м 5|/

|р=10кг/мУ

0,5 1,0

2.0 2,5 3,0

Рис.1. Транспортные характеристики плазмы смеси Н2 (80%) + 1Х18Н9Т (20%): а - электропроводность, б - электронная теплопроводность, в - термо-э.д.с., г -вязкость, д - ионная теплопроводность

В главе 5 выполнен анализ общей концепции информационной архитектуры Web-pecypcoB Интернет, методов ее проектирования и влияния на эксплуатационные характеристики ресурсов; исследованы возможности технологий, используемых при создании Интернет-приложений и описано разработанное автором Интернет-приложение «ТОТ-МГТУ-2008». Результаты выполненных исследований в контексте поставленной задачи показывают следующее.

1. Современный Web-pecypc представляет собой сложную систему, состоящую из технической, программной, информационной, семиотической, административной и лингвистической подсистем, это определяет наличие в составе Интернет-приложения программных средств для реализации каждой подсистемы.

2. Основной особенностью проектирования информационной архитектуры Web-pecypcoB является необходимость рассмотрения и моделирования как внутренних процессов ресурса, так и внешних по отношению к ним процессов - бизнес-процессов пользовательской аудитории.

3. Системный анализ Web-pecypca позволяет представить его набором концептуальных моделей разных уровней абстрагирования: системного, программного, организационного и информационного. Информационная архитектура описывается моделью Web-pecypca на информационном уровне, а ее компоненты определяются на основе выделения в системе Web-pecypca организационной иерархии.

4. Выполнен анализ существующих принципов и методов размещения информации на экране, а также практики разработки дизайна сайтов и сформулированы требования к размещению информации на странице гипертекста.

5. Многоуровневые клиент-серверные приложения, созданные другими средствами можно легко перевести на Web-технологию, для этого достаточно заменить клиентскую часть таких приложений универсальным или специализированным браузером, а сервер приложений дополнить Web-сервером и небольшими программами вызова процедур сервера. Для разработки этих программ можно использовать как Common Gateway Interface (CGI), так и более современную технологию ASP/Java.

С использованием описанных требований автором разработано распределенное приложение «ТОТ-МГТУ» и создан пользовательский интерфейс (web-сайт) с использованием технологии EXE CGI с компонентами навигации, позволяющими пользователям выбирать необходимые варианты расчетов, а также модифицировать входные данные для расчетов, вызывающие промежуточный слой объектов вспомогательной логики, которые, в свою очередь, обращаются к объектам уровня данных.

Разработана структура web-сайта (рис.2), состоящая из семи страниц, разработан дизайн страниц.

Рис. 2. Функциональная схема взаимодействия элементов программного комплекса "ТОТ МГТУ 2008"

Созданный Web-сайт позволяет обеспечить доступ для широкого круга специалистов АСНИР «ТОТ-МГТУ» через Интернет и открывает широкие возможности по использованию созданных баз и банков данных по термодинамическим, оптическим и транспортным характеристикам равновесной многокомпонентной плазмы сложного химического и ионизационного состава в проектировании широкого круга плазменных процессов и устройств, причем номенклатура плазмообразующих веществ ограничена только базой данных по энергетическим уровням атомов и ионов, которая на сегодняшний день включает данные для 30 элементов.

Глава 6. Для подтверждения достоверности и обоснованности разработанных методик расчета ионизационного состава, основных термодинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы сложного химического и ионизационного состава, программного комплекса и созданных автором баз и банков данных по термодинамическим (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорные теплоемкости, уравнения состояния, эффективный показатель адиабаты, адиабатическая скорость звука и др.), транспортным (электропроводность, теплопроводность, вязкость, коэффициенты диффузии и др.), оптическим (спектр коэффициентов поглощения, многогрупповые эмиссионные спектры по Планку и Росселанду, степени черноты и др.) характеристикам газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности в широком диапазоне параметров (температур 0,1 - 100 эВ, плотностей 10"4-102 кг/м3, энергии квантов 0,1 - 103 эВ...) выполнен цикл тестовых экспериментов по определению термодинамических характеристик лазерной плазмы ((С2Р4)П, (СН20)п, А1203,

А1, №>, Си, Мо), проведена обработка результатов и выполнено сравнение экспериментальных и расчетно-теоретических данных, как полученных мной, так и в других организациях (в том числе — инертных газов, газовых смесей сложного химического состава, сложных диэлектриков, полимеров, композитов, металлов) (рис.3).

Т, эВ

0.25 0S0 0 75 100 125 1.50

т,к

Рис. 3. Сравнение результатов расчета энтропии плазмы аргона с данными других авторов: [1] Ватолин H.A., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах.- М.:Металлургия, 1994.- 352 е., [2] Кацнельсон С.С., Ковальская Г.А. Теплофизические и оптические свойства аргоновой плазмы,-Новосибирск: Наука,1985.- 149с., [3] Термодинамические свойства индивидуальных веществ. В 4 т. /Под. ред. В.П. Глушко.- М.: Наука, 19741982

Из проведенного сравнительного анализа следует:

1. расчётные данные по термодинамическим характеристикам многокомпонентной плазмы пригодны для практического использования во всём исследуемом диапазоне плотностей 10 4—102 кг/м3;

2. верхняя граница практической пригодности результатов расчёта коэффициентов переноса составляет ~ 10 кг/м3;

3. для дальнейшего развития программного комплекса «ТОТ» и совершенствования созданных банков данных с открытым входом целесообразны следующие пути: первый — дополнение комплекса подпрограммами учёта качественных особенностей плотной плазмы (переход Мотта, перенос квазисвязанными электронами, ион-ионные корреляции и т.п.); второй - уточне-

ние баз данных по транспортным сечениям рассеяния электронов на атомах и создание типовых баз данных для ионных интегралов столкновений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан комплекс согласованных методик расчета ионизационного состава, основных термодинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы сложного химического и ионизационного состава, позволяющий проводить многопараметрическую оптимизацию рабочих процессов в технологических и энергетических плазменных установках, использующих в качестве активных сред различные плазмообразующие вещества.

2. Создан комплекс служебных программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы АСНИР ТОТ-МГТУ. Применение объектно-ориентированного подхода и формат представления входной и выходной информации позволили сделать АСНИР ТОТ МГТУ открытой для дальнейшего развития, поддерживать объемные базы данных (по квантово-механическим состояниям атомов и ионов) и обеспечить широкие возможности ее использования в задачах численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности.

3. Выполнен цикл экспериментального определения ионизационного состава лазерноиндуцированной плазмы. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетно-теоретических данных. Получено удовлетворительное их соответствие.

4. Решена задача по созданию Интернет-приложения по удаленному доступу к разработанному программному комплексу. Выполнен анализ Web-ресурсов сети Интернет как объектов проектирования и оптимизации, проведена декомпозиция информационного пространства, выполнен синтез страниц, организовано взаимодействие между программным комплексом и пользователем данного ресурса.

На уровне представления данных создан пользовательский интерфейс (web-сайт) с использованием технологии EXE CGI с компонентами навигации, позволяющими пользователям выбирать необходимые варианты расчетов, а также модифицировать входные данные для расчетов термодинамических, оптических и транспортных свойств плазмы сложного химического и ионизационного состава в широком диапазоне изменения ее параметров -температуры (Г-КГ'-Ю3 эВ), плотности (р~1(Г4-102 кг/м3) и энергии квантов (/jv-KT'-IO4 эВ).

5. Для широкого круга веществ получены данные по термодинамическим, оптическим и транспортным характеристикам плазмы сложного химического состава в заявленном диапазоне параметров. При этом возможность комплекса тестировались на смеси, состоящей из 15 элементов. Получены данные, к примеру, для следующих смесей: полимеры и диэлектрики: (C2F4)n; (C5H802)n; Si02, AI2O3 и т.д.; газовые смеси: воздух (N, О, Аг); воздух + Н, Аг + Хе + Кг и т.д.; сложные смеси: Аг + (СН2)П + воздух; Аг + Ti + Mo; Н2 + сталь (Fe, С, Si, Mn, Cr, Ni, Ti, Cu) и т.д.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

1. Казаков О.В., Михайлов Д.М., Ноготков Д.О. и др. Разработка автоматизированной системы инженерного анализа термодинамических, оптических и транспортных характеристик рабочих веществ плазменных и фотонных энергодвигательных установок «ТОТ-МГТУ» // Аэрокосмические технологии: Сб. материалов I Международной научно-технической конференции." Реутов, 2004.- С. 113.

2. Казаков О.В., Касимов У.М., Михайлов Д.М. и др. Разработка нового поколения АСНИР «ТОТ МГТУ» для анализа термодинамических, оптических и транспортных характеристик активных сред плазменных и фотонных энергетических установок // Тез. докладов Международного симпозиума «Образование через науку»,- М., 2005. - С.472.

3. Бондаренко К.Э., Казаков О.В., Михайлов Д.М., Касимов У.М., Телех В.Д. Исследование термодинамических, оптических и транспортных характеристик плотной излучающей плазмы в широком диапазоне температур, плотностей и энергий квантов // Демидовские чтения. Конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики»: тезисы докладов.- Москва, 2006.- С.171-172

4. Alexeev А.А., Mikhajlov D.M., Nogotkov D.O. et al. Experimental and theoretical Research of thermodynamic, optical and transport characteristics of dense plasma active media of complex chemical and structure composition // V Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology.- Contributed Papers.- V.I.Minsk, 2006,- pp. 281-282.

5. Михайлов Д.М., Ноготков Д.О., Протасов Ю.С. Разработка нового поколения АСНИР «ТОТ-МГТУ» для анализа термодинамических, оптических и транспортных характеристик активных сред плазменных и фотонных энергетических установок // Изв. ВУЗ. Машиностроение.- 2006.- № 2,- С.11-23.

6. Алексеев А.А., Касимов У.М., Михайлов Д.М., Протасов Ю.С. Генерация нового поколения электронных баз и банков данных термодинамических, оптических и транспортных характеристик рабочих сред энергодвигательных установок высокой плотности мощности // Конверсия в машиностроении. - 2007. - № 6. - С. 110-115