Исследованипе потоков молекулярных газов за ударными волнами с использованием лазерной широкополосной ИК спектроскопии тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. и .В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

Митичкин Сергей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ ЗА УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОЙ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ИК СПЕКТРОСКОПИИ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Научно-исследовательском Институте механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Левин.

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник В.Г. Тестов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор И.С. Заслонко; кандидат физико-математических наук Ю.И. Гринь.

Ведущая организация: Научно-исследовательский Центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного Института высоких температур РАН.

на заседают Диссертационного Совета Д 053.05.02 цри Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова в аудитории 16-24 по адресу: Москва, Воробьевы горы, главное здание МГУ, механико-математический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета ига

Защита диссертации состоится

1995 г.^

Автореферат разослан

Ученый секретарь Совета доктор физико-математических наук, профессор ГК^----1

В.П. Карликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. распространешюсть и важность процессов, происходящих в нагретых газах, обусловливают к ним постоянный интерес исследователей. Круг проблем газодинамики, физики, химии высоких температур связан как с прикладными задачами (горение в различных технических устройствах, взрывше процессы, движение тел в атмосфере), так и фундаментальными (физико-химическая газодинамика, кинетика, астрофизика). Наиболее распространенным лабораторным методом нагрева газовых смесей являются ударные волны, получаемые в ударных трубах. Кратковременность и нестационарность процессов в ударных трубах обусловливают ' необходимость развития методов диагностики с высоким временным разрешением, изучения процессов формирования течения высокотемпературной газовой среды для корректной интерпретации получаемых результатов.

В абсорбционной спектроскопии, относящейся к числу оптических методов, традиционно используемых при исследованиях быстропротекащих процессов в свою очередь выделяются два метода: фотоэлектрический (регистрируется временная зависимость поглощения на одной частоте) и фотографический (одновременно регистрируется участок спектра). Кроме определения концентрации поглощающих частиц, их спектроскопических характеристик, широкополосная регистрация поглощения может дать возможность независимого определения температуры поглощающей среды, например по относительной интенсивности линий. Задача определения температуры горячих, в том числе реагирующих газовых смесей, имеет несомненное значение и привлекает к себе постоянное внимание исследователей.. - Фотографический метод абсорбционной спектроскопии применялся для видимого и УФ диапазонов, что связано с границами чувствительности существующих широкополосных приемных средств. Значительный интерес представляет Ж область спектра, в которой лежат линии поглощения, соответствующие колебательно-вращательным переходам большинства молекул. Возможности продвижения фотографического метода абсорбционной спектроскопии в ИК область связаны с внедрением нетрадиционных подходов, к которым обычно относят лазерные, в частности нелинейно-оптические. Разработка основанных на этих принципах нелинейных ИК спектрографов и их внедрение для диагностики быстро-

протекающих процессов пока реализованы далеко не в полной мере.

Построение газодинамического тракта ударной трубы во многом определяется особенностями решаемых с ее помощью задач. Широкополосные спектральные системы, работающие в фотографическом режиме, производят одну регистрацию участка спектра в одном опыте на ударной трубе. Для реализации режима накопления, получения широких спектров, при кинетических исследованиях требуется проведение нескольких опытов с высокой воспроизводимостью параметров ударных волн. Существенного улучшения воспроизводимости можно добиться, используя вместо диафрагмы быстродействующий клапан. Применение подобных клапанов обычно сопряжено с изменением площади проходного сечения трубы. Применение ударных труб переменного внутреннего сечения может обусловливаться также другими целями. Наличие секций с изменениями площади приводит к возникновению вторичных газодинамических возмущений. Для интерпретации и прогнозирования экспериментов в подобных ударных трубах требуется специальное изучение их газодинамики.

Цель работы - разработка нового метода ИК диагностики параметров (температуры и концентрации) молекулярных газов, нагретых ударными волнами, исследование возможностей его использования для изучения физико-химических процессов за ударными волнами.

Задачи работы:

1. Исследование возможности генерации широкополосного излучения среднего ИК диапазона (около 3 мкм) и преобразования его в видимый диапазон на основе процессов смешения излучений импульсных лазеров в нелинейно-оптических кристаллах. Реализация нелинейного ИК спектрографа на этих принципах, изучение его характеристик.

2. Повышение воспроизводимости термодинамических ■ параметров газовых смесей за фронтом ударных волн. Модернизация ударной трубы - ее оснащение вместо диафрагмзнного узла быстродействующим пневмоклапаном. Исследование особенностей течения в канале бездиафрагменной ударной трубы. Получение зон однородного течения с необходимыми параметрами для измерений ИК спектров поглощения нагретых газов.

3. Регистрация с помощью нелинейного ИК спектрографа ИК спектров поглощения в полосе колебательной моды т3 метана, нагретого ударными волнами. Сопоставление полученных значений коэффициента поглощения с известными данными. Изучение возможности определения температуры метаносодерхащих смесей путем сопоставления измеренных и рассчитанных спектров. Расчет спектров поглощения метана, их сопоставление с полученными в экспериментах.

Научная новизна:

1. Впервые показана возможность получения широкополосного ИК излучения трех-, четырех- микронной области спектра, преобразования его в видимый диапазон на основе процесса генерации разностных частот лазерного излучения в нелинейно-оптических кристаллах титаяил-фосфата калия. На этих принципах создан нелинейный ИК спектрограф, позволяющий в условиях короткого рабочего времени ударной трубы регистрировать ИК спектры поглощения.

2. Впервые на основе экспериментального и численного исследований изучены особенности формирования течения в бездиафрагменной ударной трубе с изменениями площади внутреннего сечения. Получены данные по временным зависимостям давления в различных сечениях бездафрагменной ударной трубы, о продолжительности однородных областей течения.

3. Впервые зарегистрированы ИК спектры поглощения высокотемпературного метана за ударными волнами, проведены расчеты ИК спектров поглощения нагретого метана, показана возможность определения температуры метаносодеркащих смесей, нагретых ударными волнами, концентрации метана по ИК спектрам поглощения, на ударной трубе реализован фотографический метод абсорбционной спектроскопии для ИК области спектра.

Практическая значимость. Создан новый метод диагностики параметров нагретых молекулярных газов. Метод может применяться для определения концентрации поглощающей молекулы, температуры газовых смесей как в стационарных условиях, так и в условиях быстропротекащих процессов. Результаты по исследованию течения в бездиафрагменной ударной трубе с переменной площадью внутреннего сечения могут использоваться при проектировании и совершенствовании подобных экспериментальных установок.

На защиту выносятся:

- результаты исследования возможности создания лазерного нелинейного ИК спектрографа на нелинейно-оптических кристаллах;

- метод регистрации ИК спектров поглощения молекулярных газов в условиях быстро протекающих процессов;

- результаты изучения формирования течения в Сездиафрагменной ударной трубе;

- результаты анализа волновых - процессов в ударной трубе переменного сечения, который проведен по данным экспериментов и численного моделирования;

- результаты регистрации ИК спектров поглощения метана, нагретого ударной волной, в полосе колебательной моды а^ с помощью созданного нелинейного ИК спектрографа;

- результаты расчетов Ж спектров поглощения ударно нагретого метана;

- способ определения температуры и концентрации метана, нагретого ударной еолной, по ИК спектрам поглощения.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на: V Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск - 1990г.), Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Рига - 1991г.), Международной школе-семинаре "Физика и газодинамика ударных волн" (Минск -1992г.), X Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка -1992г.), 15 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург - 1995г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 160 стр., включая 100 стр. машинописного текста, 37 рисунков, 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 151 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, представлена структура диссертации, указана научная новизна полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе отражено состояние изучаемой проблемы, приведен литературный обзор, сформулированы цель и задачи исследования.

В разделе 1.1 описаны особенности абсорбционной ИК спектроскопии - широко используемого метода диагностики молекулярных газов, возможности определения температуры и концентрации поглощающих частиц по форме и интенсивности спектров поглощения. Отмечены ограничения традиционной (как с точки зрения источников, так и приемников ИК излучения) ИК спектроскопии в отношении возможности реализации широкополосной регистрации ИК спектров в условиях короткого рабочего времени ударной трубы. Указано, что одновременная прямая регистрация спектров ИК излучения с длиной волны более 1.3 мкм достаточно проблематична. Кратко описаны существующие перестраиваемые лазерные источники ИК излучения, в том числе устройства, основанные на генерации разностных частот лазерного излучения в нелинейно-оптических кристаллах, их возможности и достоинства.

В разделе 1.2 содержится обзор результатов нелинейно-оптического получения широкополосного ИК излучения, его преобразования в видимый диапазон с целью анализа ИК спектров поглощения хорошо разработанными средствами видимого диапазона. Описаны результаты создания на этих принципах нового класса ИК спектральных устройств - нелинейных ИК спектрографов. Отмечено, что исследования возможностей создания нелинейных ИК спектрографов на нелинейно-оптических кристаллах для измерений в условиях быстропротекающих процессов до постановки настоящей работы были лишь предварительными. Указывается, что проведение спектральных измерений с помощью импульсных широкополосных систем предъявляет к ударным трубам требование высокого уровня воспроизводимости параметров ударных волн.

В разделе 1.3 в связи с последним требованием обсуждаются возмокности повышения воспроизводимости параметров ударных волн, получаемых в ударных трубах. Указывается, что наилучшие результаты в этом смысле дает использование быстродействующих клапанов (воспроизводимость по числу Маха падающей ударной волны - 1%). Т.к. применение в ударных трубах вместо диафрагменного узла пусковых клапанов как правило сопряжено с изменением проходного сечения канала, в разделе описываются особенности подобных ударных труб, а также существующих способов и результатов моделирования распространения ударных волн в каналах ' переменного сечения. Отмечено, что распространение газодинамических возмущений по каналам с изменяющимся сечением достаточно хорошо описывается в квазиодномерной невязкой постановке.

В разделе 1.4 сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлены результаты исследования возможности создания нелинейного ИК спектрографа на основе процессов смешения излучений импульсных лазеров в нелинейно-оптических кристаллах.

В разделе 2.1 изложен принцип построения лазерного нелинейного ИК спектрографа - последовательное преобразование частоты лазерного излучения в нелинейно-оптических кристаллах. В [1] этот принцип использован для создания ИК спектрометра с узкой линией генерации. Для реализации нелинейного ИК спектрографа необходимо решить две задачи: получение широкополосного ИК излучения и регистрация ИК спектра.

Широкополосное ИК излучение (частота шш, = ш1 - ш2) возникает в процессе генерации разностной частоты (ГРЧ) при смешении излучений второй гармоники лазера на алкмо-иттриевом гранате, активированном ионами неодима (АИГ) (частота излучения ш1), и лазера на растворе органического красителя (ЛОК) (частота излучения ы2) в нелинейном кристалле с достаточной спектральной шириной фазового синхронизма (см.л блок-схему нелинейного ИК спектрографа на рис.1). Для эффективного преобразования ширина спектра генерации ЛОКа должна быть близкой ширине фазового синхронизма кристалла для генерации разностной частоты. Ширина спектра генерации ЛОКа определяется селективными свойствами резонатора. Перестройка

д

длины волны ИК излучения осуществляется соответствующим изменением длины волны излучения ЛОКа и перестройкой синхронизма кристалла для ГРЧ. ИК излучение используется в качестве зондирующего для получения спектров поглощения исследуемого объекта (газ в канале ударной трубы или в кювете).

Регистрация прошедшего через исследуемый объект ИК излучения осуществляется после ап-конверсии при помощи нелинейного кристалла в процессах ГРЧ или ГСЧ (генерация суммарной частоты): шввд = + Здесь иввд - частота

преобразованного излучения видимого диапазона.

После ап-конверсии разложенное в спектр при помощи полихрсматора видимое излучение регистрируется оптическим многоканальным анализатором (ОМА) видимого диапазона или на фотопленку.

В разделе 2.2 обосновывается выбор кристалла для' преобразований частот лазерного излучения. Отмечены достоинства одного из наиболее перспективных нелинейно-оптических материалов - титанил-фосфата калия (КТР), использованного в настоящей работе для всех процессов преобразования частот излучений: 1. генерация второй гармоники АИГ-лазера, 2. ГРЧ при смешении излучений второй гармоники АИГ-лазера и'лазера на красителе, 3. ап-конверсия - ГРЧ или ГСЧ при смешении ИК излучения и второй гармоники АИГ-лазера. Представлены измерения спектральной ширины синхронизма кристалла КТР для ГРЧ в окрестности длин волн выходного излучения около 3 мкм.

В разделе 2.3 описаны измерения спектров генерации лазеров на красителе (собраны по схеме с квазиколлинеарной накачкой второй гармоникой АИГ-лазера) с целью получения значения ширины спектра генерации близкой ширине фазового синхронизма кристалла для генерации разностной частоты. Опробованы различные виды селективных резонаторов. Требуемая ширина спектра генерации реализована с использованием в качестве дисперсионного элемента резонатора трех равнобедренных призм из ТФ-3. Описана оптическая схема собранного на основе автоколлимационной трубы и дифракционной решетки (2400 штр/мм) полихроматора, с помощью которого получен спектр генерации итогового варианта лазера на

красителе. По спектрам пропускания его выходного излучения эталоном Фабри-Перо оценено спектральное разрешение полихроматора, составившее 0.6 см-1.

В разделе 2.4 приведена и подробно описана общая оптическая схема созданного нелинейного ИК спектрографа. Описаны устройство, характеристики собранного задающего АИГ-лазера с пассивной модуляцией добротности, работающего на одной продольной мод8, АИГ-усилителя, удвоителя частоты, оптических элементов, обеспечивающих синхронное взаимодействие волн в нелинейных кристаллах. Указаны причины, влиящие на спектральное разрешение системы. В отдельной серии экспериментов изучена временная стабильность генерации импульсов излучения. Отмечено, что для ап-конверсии предпочтителен процесс ГРЧ.

Основные характеристики оптической части нелинейного ИК спектрографа и значения энергии импульса излучения на выходе основных узлов установки (краситель в ЛОК - БСМ):

Спектральный диапазон (без смены красителя).. 2.7-3.7 мкм

(со сменой красителя до 4.5 мкм)

Спектральное разрешение......................... 0.6 см-1

Длительность импульса излучения................... 30 не

Энергия импульса:

Задающий АИГ-лазер............................25 цДж

АИГ-лазер + усилитель........................ 180 мДж

Вторая гармоника усиленного излучения

АИГ-лазера.................................... 60 мДж

Лазер на красителе.............................2 м№

ИК излучение............................... ~ 90 мкДж

Излучение частоты ш„„_ = о, - ы - на выходе

I ИК

нелинейного Ш спектрографа................. ~ 4 мкДж

Указаны дополнительные возможности системы, в частности возможность преобразования в узкополосный вариант.

Приведены результаты регистрации спектра поглощения метана в воздухе при нормальных условиях в окрестности 0 ветви колебательной моды (3.31 мил) при помощи нелинейного ИК спектрографа. Проведено сопоставление с результатами записи того же участка спектра с помощью другого спектрального устройства - ИК спектрометра, описанного в [1].

ri

В третьей главе приведено описаше экспериментальной установки, созданной на базе ударной трубы, и результатов расчетно-экспериментального исследования течения газа в канале бездиафрагменной ударной трубы.

В разделе 3.1 приведен сравнительный анализ известных пусковых клапанов, используемых в ударных трубах вместо традиционного диафрагменного узла. Отмечены их достоинства, в частности высокий уровень воспроизводимости генерируекчх ударных волн, удобство в обслуживании установки, а также недостатки. К последним относятся: усложнение геометрии канала ударной трубы, большее, чем для диафрагмы время открытия проходного сечения. Описана конструкция и особенности работы быстродействующего клапана [2], расчитанного на достаточно широкий диапазон рабочих давлений (до 200 атм) и использованного в настоящей работе. Отмечено, что для использованного клапана при давлениях в камере высокого давления (далее камера) менее 10 атм время его открытия и разброс параметров за генерируемой ударной волной возрастают.

В разделе 3.2 приведена схема и описаны особенности экспериментальной установки - ударной трубы. Описаны системы обеспечения проведения экспериментов: системы подачи, удаления, составления смесей газов. Для измерения давления и скорости ударных волн базовым методом в торце и боковых стенках измерительной секции канала низкого давления (далее канал) были установлены пьезодатчики с диаметром чувствительной площадки 4 та. Такие т.в датчики были установлены в боковой стенке камеры на входе в клапан, в боковой стенке канала на выходе и в потоке толкающего газа, вытекающего из клапана. Согласующими элементами для датчиков служили истоковые повторители на полевых транзисторах, а в схеме измерения скорости - формирователи сигналов, обеспечивающие устойчивый запуск частотомеров. Для измерения временных интервалов использовались частотомеры 43-34A, 43-35A, 43-38. Сигналы с датчиков через истоковые повторители подавались на входы запоминающих осциллографов С8-17 или цифровых осциллографов С9-8, соединенных интерфейсом с персональным компьютером и далее обрабатывались по стандартной программе.

В разделе описаны особенности газодинамического тракта ударной трубы. Т.к. порог устойчивого срабатывания клапана снижается с уменьшением его размеров, был использован клапан с диаметром проходного сечения (60 мм), меньшим, чем у канала (98 мм). Внутренний диаметр и длина камеры составляли 70 ш и 1.7 м соответственно. Еще одна особенность ударной трубы связана с использованием переходника от круглого сечения разгонного участка канала длиной 4.7 м (клапан имеет круглое сечение) к квадратному в измерительной секции (длина измерительной секции 2.25 м). Переходник обеспечивает плавное сопряжение круглого и квадратного сечений канала трубы одинакового внутреннего поперечного размера 98 мм на длине 250 мм. При этом площадь канала плавно увеличивается на 27%. Измерительная секция канала квадратного сечения имеет достоинство, связанное с возможностью использования плоских оптических окон, вносящих минимальные оптические искажения для зондирующего пучка излучения.

В разделе 3.3 приведены результаты анализа волновых процессов в канале ударной трубы переменного сечения, выполненного на основе результатов расчетов с использованием пакета програчи Е.И. Васильева. Система уравнений газовой динамики в квазиодномерной постановке для невязкого нэтеплопроводного совершенного газа с постоянными теплоемкостями решалась с помощью численного метода [31, являющегося модификацией известного метода С.К. Годунова, повышающей до второго порядка точность по времени и по пространству.

Исследование сводится к анализу волновых процессов, в ходе которых в измерительной секции канала формируется однородный поток нагретого газа с заданным значением числа Маха падащей ударной волны. Изучались волновые процессы при фиксированных значениях начальных параметров, соответствующих режимам, реализованным в экспериментах. В качестве толкающих газов в расчетах были приняты воздух, водород, гелий, в качестве толкаемого газа - аргон. Построение волновых диаграмм, временных зависимостей давления в различных сечениях трубы позволило проследить распространение газодинамических возмущений вдоль трубы, влияние возникающих из-за переменности сечения вторичных возмущений на картину течения. Качественно

гз

картина течения вблизи торца канала ударной трубы главным образом определялась выбором толкающего газа, в меньшой степени перепадом давления на клапане.

В разделе 3.4 результаты экспериментов - осциллограммы давления, полученные вблизи клапана и в удаленных от него сечениях сравниваются с результатами расчетов. Расчеты течения с набором начальных параметров, реализованных в эксперименте, давали завышенные в сравнении с экспериментальными значения числа Маха падающей ударной волны М, что обусловлено в основном неучетом вязкости газа и является для подобных расчетов типичным. Совпадение экспериментальных и расчетных значений М определялось соответствующим подбором начального давления в камере и обеспечивало при сравнении осциллограмм давления на боковой стенке и в торце измерительной секции канала с результатами расчетов подобие результатов как при использовании воздуха в качестве толкающего газа, так и водорода (толкаемый газ - аргон). Осциллограммы давления в опытах с воздухом подтверждают существование в потоке обусловленных изменениями сечения и предсказываемых расчетом вторичных волн. По мере удаления от переходника происходит формирование однородного давления за фронтом ударной волны.

Сопоставление с расчетом осциллограмм, полученных в опытах с водородом, показывает, что в соответствии с тоориой профили давления на боковой стенке и на торце измерительной секции определяются волной разрешения, приходящей из камеры.

Данные на рис.2а (датчик в камере на входе в клапан) показывают, что расхождение теории и эксперимента (на рис.2 осциллограммы и результаты расчетов (пунктир) представлены в одном временном масштабе) наблюдается в начальном профиле волны разрежения из-за конечного времени открытиия клапана. Осциллограммы давления на боковой стенке канала на выходе из клапана (рис.26) и в потоке, истекащем из клапана (рис.2в) (полное давление), отражают динамику формирования параметров на входе в канал трубы и позволяют оценить время открытия клапана (<1.5мс). Падение давления через « 9 мс после начала процесса согласуется с-расчетным моментом прихода к датчику головы волны разрежения, отраженной от торца камеры. Результаты рис.2 получены с воздухом в качестве толкающего газа, £ - время. •

Величина разброса по скорости фронта падающей ударной волны в опытах одной серии (<1.4Ж) близка к точности ее измерений. Затухание скорости фронта в пределах измерительной секции составляло » ЗЖ-м-1.

В четвертой главе описаны результаты измерений при помощи созданного нелинейного ИК спектрографа, а также расчетов спектров поглощения в полосе колебательной моды vz метана.

В разделе 4.1 отмечены особенности работы нелинейного ИК спектрографа на ударной трубе (см. рис.1), а- также использованного для регистрации спектров оптического многоканального анализатора. Обоснован выбор метана в качестве поглощающей молекулы: 1. необходимость изучения поведения метаносодержащих смесей с точки зрения прикладных задач взрывобезопасности, 2. наличие в рабочей области нелинейного ИК спектрографа интенсивных линий поглощения колебательной моды г>3 метана, 3. возможность сопоставления полученных значений коэффициента поглощения на линии Р(7) моды и3 метана с данпымии других авторов, получеными с использованием неперестраиваемого Не-Ыэ лазера с длиной волны 3.39 мкм (частота его излучения практически совпадает с частотой одной из компонент линии Р(7)), 4. для метана существуют спектроскопические данные в периодически пополняющихся атласах спектральных линий, которые можно использовать для расчета спектров.

Проведен анализ известных литературных данных о поглощении излучёния Не-N6 лазера метаном при комнатной и повышенной температурах, выбраны соответствующие условия проведения измерений. Отмечено, что наиболее информативным в полосе мода v3 метана является участок от 3000 до 3020 см-1 -здесь располагаются линии 0 ветви моды г»3, а также более слабые линии, соответствующие другим типам колебаний молекулы метана.

В разделе 4.2 приведены результаты регистрации с помощью нелинейного ИК спектрографа участка спектра поглощения метана (линия Р(7)) е смеси с аргоном. Эксперименты проводились при комнатной температуре, а также повышенной (950К) за отраженной ударной волной. Отмечено соответствие полученных значений коэффициента поглощения литературным данным для поглощения метаном излучения^Не-Ие лазера. Приведен анализ погрешностей

тг, 10

при измерениях коэффициента поглощения. Отмечено, что основной вклад в значение погрешности коэффициента поглощения вносят флуктуации в спектре лазера на красителе. Указаны возможности повышения точности определения коэффициента поглощения.

В разделе 4.3 приведены результаты расчета течения в ударной трубе (постановка расчета - гл.З) для начальных условий, близких условиям экспериментов раздела 4.2. Отмечены зоны течения с однородными параметрами. Проведено сопоставление (рис.3) полученных осциллограмм давления в измерительной секции канала (см.рис.1) в сечениях, расположенных на расстояниях от торца канала 300 мм () на рис.3 (датчик 3 на рис.1)) и 10 мм (2 на рис.3 (сечение оптического зондирования или измерительное сечение - датчик 4 на рис.1)). Результаты расчетов на рис.3 показаны пунктирными линиями. Приведены результаты регистрации с помощью нелинейного ИК спектрографа спектров поглощения метана в районе 0 ветви моды V при нормальных условиях (температура Г=293К, давление Р=1атм, концентрация метана в аргона 5=1.2%) - рис.4, за ударной волной - рис.5 (£=15%). На рис.4,5 точки соответствуют показаниям отдельных чувствительных элементов регистрирующей линейки оптического многоканального анализатора, кривые 1 - спектры зондирующего излучения в отсутствие поглощающей среды (интенсивность излучения с волновым числом V - 1Т0), записанные после измерений спектров поглощения и откачки трубы. Число накоплений спектра рис.4 -30, рис.5 - 4. Иомент регистрации спектра рис.5 отмечен на осциллограмме давления рис.3 стрелкой - т.е. после прихода в область за отраженной от торца канала ударной волной возмущений, отраженных от контактной зоны. Значение давления в измерительном сечении в момент регистрации спектра, измеренное по показаниям датчика 4 (см.рис.1) - 1.88 атм. Расчет (см. выше) дает соответствущее этому давлению значение температуры 1370К, что практически совпадает с температурой, рассчитанной по изоэнтропе для течения, имевшего место в эксперименте за фронтом отраженной от торца ударной волны после прихода отраженных от контактной зоны волн сжатия (расчет от параметров непосредственно за фронтом отраженной волны).

В разделе 4.4 описаны особенности проведенных на основе последней версии атласа спектральных данных НИНАЯ [4]

расчетов спектров поглощения в окрестности 0 ветви моды г>3 метана, соответствующих условиям экспериментов раздела 4.3. Расчет (вычислительная программа расчета спектров поглощения написана П.В. Козловым) проводился с использованием фойгтовского контура линий, с учетом аппаратной функции нелинейного ИК спектрографа, значение ширины которой на полувысоте 0.58 см-1 определено методом наименьших квадратов при сопоставлении экспериментальных и расчетных спектров при нормальных условиях. Соответствующий спектр поглощения с учетом распределения I - кривая 2 (интенсивность прошедшего поглощающую среду излучения - 1у) на рис.4.

Для расчета спектров поглощения метана при высокой температуре данные атласа (43 аппроксимировались с использованием зависимостей параметров линий от температуры и давления в приближениях жесткого ротатора и гармонического осциллятора. Проведенные таким образом расчеты коэффициента поглощения излучения на линии Р(7), аналогичные расчеты других авторов согласуются при Т < 1000К с известными результатами измерений коэффициента поглощения излучения Не-Не лазера и дают заниженные значения коэффициента поглощения при Г > 1000К, что связано с принятыми в расчетной модели допущениями. Кривая 2 на" рис.5 (1у) - рассчитанный спектр поглощения в районе 0 ветви для Т=1370К, Р-1.88атм, £=30%. Хорошее соответствие формы расчетного и экспериментального спектров обусловлено достаточно высокой~ степенью подробности использованного атласа [43, содержащего кроме линий моды v3 относительно слабые при комнатной температуре линии других типов колебаний молекулы метана, интенсивность которых (в сравнении с линиями моды г>3) увеличивается с ростом температуры. Отмечено, что указанное соответствие спектров говорит о возможности определения температуры метаносодержащей смеси газов путем подобного сопоставления экспериментальных и расчетных спектров. При этом концентрация метана определяется на основе закона Бугера-Ламберта-Бэра.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

Итогом работы является создание нового метода ИК диагностики штоков молекулярных газов за ударными волнами:

1. Эффективность процессов преобразования частот излучений импульсных лазеров в кристаллах КТР:

1) генерации разностной частоты излучений второй гармоники АИГ-лазера и широкополосного лазера на красителе для получения широкополосного ПК излучения

2) генерации разностной, либо суммарной частоты излучений второй гармоники АИГ-лазера и широкополосного ИК излучения для ап-конверсии

достаточна для реализации нелинейного ИК спектрографа, регистрирующего участки Ж спектра поглощения с помощью серийных приемных средств видимого диапазона - оптических многоканальных анализаторов, фотоматериалов.

На этих принципах создан новый нелинейный ИК спектрограф с рабочим диапазоном длин волн ИК излучения 2.7-3.7 мкм (в лазере на красителе - краситель ВСМ). Применение других 1фасителей (в настоящей работе использовались также красители феналемин-430 и 6-амшюфеналенон) расширяет рабочий диапазон до верхней границы прозрачности кристаллов КТР - 4.5 мкм. Нелинейный ИК спектрограф предназначен для регистрации в условиях короткого рабочего времени ударной трубы ИК спектров поглощения молекулярных газов, икегащх в рабочей области ИК спектрографа линии поглощения. Спектральное разрешение Ж спектрографа 0.6 см-1 не является нижним пределом и определяется разрешением использованного полихроматора. Применение пассивной модуляции добротности ■ в задающем АИГ-лазере обеспечивает повторяемость интервала времени между приходом запускающего импульса и моментом вспышки излучения ± 2.5 мкс. Это значение определяет временное разрешение системы, что является достаточным для исследования многих нестационарных процессов за ударными волнами. Для повышения временного разрешения (его предельное значение определяется длительностью импульса генерации задающего АИГ-лазера -30нс), возможно применение активной модуляции добротности в задающем АИГ-лазере. Элементная база нелинейного ИК спектрографа допускает его преобразование в ИК спектрометр, КАРС спектрограф (спектрометр).

Основной вклад в погрешность определяемых по спектрам поглощения значений коэффициента поглощения вносят флуктуации модовой структуры в спектре лазера на красителе. Накопление,

являющееся одним из путей увеличения точности измерений поглощения, сникает погрешность коэффициента поглощения с *> 20-30% для однократной записи спектра до значения < 10%.

2. Для увеличения воспроизводимости параметров ударных волн, требующейся, в частности, для реализации режима накопления, проведена модернизация ударной трубы: вместо диафрагменного узла установлен быстродействующий клапан, обеспечивший воспроизводимость числа Маха падающей ударной волны (<1.4%), сопоставимую с точностью его измерения и с точностью задания начальных давления, температуры. Время открытия клапана (<1.5мс) оценено на основе проведенных измерений давления.

Зарегистрированы временные зависимости давления в различных точках ударной трубы с изменениями площади внутреннего сечения, обусловленными клапаном и переходником от разгонной секции канала круглого сечения к измерительной секции квадратного сечения. При использовании воздуха в качестве толкающего газа в изученных условиях постоянное давление за фронтом падающей ударной волны (в течение и 2мс) устанавливается в измерительной секции канала на расстоянии » 9 калибров от переходника.

Картина течения в ударной трубе переменного сечения достаточно хорошо описывается системой уравнений сохранения в квазиодномерной невязкой постановке для совершенного нетеплопроводного газа с постоянными тешгаемкостями. Численное решение системы модифицированным методом Годунова в сопоставлении с результатами измерений позволяет проанализировать распространение волновых возмущений в ударной трубе с изменениями площади внутреннего сечения и формирование областей однородного течения за ударными волнами. Имеющиеся расхождения результатов измерений и расчетов в основном обусловлены неучетом вязкости газа и немгновенностью открытия клапана.

3. Возможности фотографического метода абсорбционной спектроскопии на ударной трубе расширены с точки зрения продвижения в ИК область спектра. В метано-аргоновой смеси, нагретой отраженной ударной волной, и при комнатной температуре при помощи нелинейного ИК спектрографа зарегистрированы спектры поглощения метана в окрестности линии Р(7) и 0 ветви колебательной моды v3. Полученные значения

коэффициента поглощения на линии Р(7) согласуются с известными значениями коэффициента поглощения излучения He-Ne лазера с длиной волны 3.39 мкм. Расчеты спектров поглощения выполнены для Q ветви на основе последней версии атласа спектральных линий HITRAN (1992г.) и их аппроксимации для высоких температур в приближениях жесткого ротатора и гармонического осциллятора. Форм экспериментальных и расчетных спектров достаточно хорошо соответствуют друг другу, что говорит о возможности определения температуры (в изученном диапазоне) метаносодержащих смесей, нагретых ударными волнами, на основе сопоставления спектров.

Цитируемая литература

1. Красников В.В., Пшеничников М.С., Разумихина Т.Б., Соломатин B.C., Холодных А.И. Трассовый газоанализ атмосферы с помощью лазерного ИК-спектрометра трехмикронного диапазона с разрешением 0.1 см-1. Оптика атмосферы, 1990, т.З, М, с.436-443.

2. Исаков С.Н., Смирнов Г.В., Пакин П.А. Пусковой клапан для ударных труб. A.c. 49Б405 (СССР). Б.И., 1975, .№47.

3. Васильев Е.И. Монотонная модификация схемы Годунова второго порядка точности по пространству и времени для квазиодномерпых нестационарных уравнений газовой динамики. В сб.: Математическое моделирование в задачах механики и управления. Волгоград, ВолГУ, 1990, с.84-94.

4. Rothman L.S., Carache R.R., Tipping R.H., Rlnsland С.P., Smith M.A.H., Chris Benner D., Malathy Devi V., Flaud J.-M., Camy-Peyret C., Perrin A., Goldman A., Massle S.T., Brown L.R., Toth R.A. The HITRAN molecular database: editions or 1991 and 1992. JQSRT-, 1992, v.48, №5/6, p.469-507.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. В.В. Красников, С.Ю. Митичкин, М.С. Пшеничников, B.C. Соломатин. Лазерный комплекс для абсорбционной спектроскопии реагирующих потоков за ударными волнами. Тез. докл. V Всесоюз. школы-семинара "Современные проблема механики жидкости и газа" (Иркутск-1990), Иркутск, 1990, с.188.

2. А.Б. Британ, В.В. Красников, С.Ю. Митичкин, М.С. Пшеничников, B.C. Соломатин. Лазерный комплекс для абсорбционной спектроскопии реагирующих газовых потоков за ударными волнами. Отчет Института механики МГУ, J6 3957, инв. J6 029.00055191, 1990.

3. A.B. Brltan, V.V. Krasnlkov, V.A. Levin, S.Yu. Mltichkln, M.S. Pshenlchnlkov, V.S. Solomatln, V.G. Testov. Time-resolved IR laser system for reactive gas ilow studies. Int. symp. on theoretical and applied aspects of plasma chemistry (Rlga-1991). Oral and poster presentations. Riga, 1990, p.33.

4. A.B. Британ, В.А. Левин. С.Ю. Митичкин. Абсорбционная ИК-спектроскопия метана за ударными волнами. В кн.: "Кинетика химических реакций". Тез. X Симпозиума по горению и взрыву (Черноголовка-1992), Черноголовка, 1992, с.18-19.

5. A.B. Британ, С.Ю. Митичкин. Поглощение излучения с длиной волны 3.39 мкм метаном за ударными волнами. Отчет Института механики МГУ, Jé 4208, 1992.

6. А.Б. Британ, В.В. Красников, В.А. Левин, С.Ю. Митичкин, М.С. Пшеничников, B.C. Соломатин, В.Г. Тестов. Бездиафрагменкая ударная труба для импульсной ИК спектроскопии нагретых газов. Хим. физика, 1992, т.11, JH1, с.1568-1574.

7. А.Б. Британ, Е.И. Васильев, С.Ю. Митичкин. Волновые процессы в ударной трубе переменного сечения. ТВТ, 1992, т.30, JÉ6, с. 1136-1141.

8. A.B. Британ, В.А. Левин, В.Г. Тестов, С.Ю. Митичкин. Формирование течения в ударной трубе с клапаном. Хим. физика, 1993, т.12, J65, C.663-66S.

9. А.Б. Британ, С.Ю. Митичкин. Лазерная широкополосная ИК-спектроскопия метана в ударной трубе. 1. Измерение коэффициента поглощения. Хим. физика, 1993, т. 12, Ш, с.1129-1139.

10. А.Б. Британ, П.В. Козлов, В.А. Левин, С.Ю. Митичкин, В.Г. Тестов. Широкополосная ИК спектроскопия метана в ударной трубе. Об определении параметров смеси по спектрам поглощения. Отчет Института механики МГУ, Jé 4263, 1993.

11. Е.И. Васильев, С.Ю. Митичкин, В.Г. Тестов. Волновые процессы в бездиафрагменной ударной трубе. Отчет Института механики МГУ, Jé 4379, 1994.

Рис.1

Измерительная секция канала 1 ударной трубы и блок-схема нелинейного ИН спектрографа 2. 3, 4, 5 - датчики давления, б - генератор задержки, 7 - блоки питания лазеров, 8 - оптический многоканальный анализатор, 9 - АИГ-лазер с усилителем и удвоителем частоты, 10 - лазер на красителе, 11 - кристалл для генерации Ж излучения, 12 - окна для оптического. зондирования, 13 - ап-конвертор, 14,15 - дифракционная решетка и автоколлимационная труба полихроматора соответственно, 16 - фотодиод для регистрации момента генерации задающего АМГ-лазера, 17 - компьютер, 18 -торцевой вкладыш.

Рис.2

Давление в камере ударной грубы на входе в клапан (а), в канале ударной трубы на выходе из клапана (б,в).

Рис.3

Давление в сечениях, расположенных от горца канала на расстояниях 300 т (1), 10 мм (2). «а» - падавдая ударная волна (¿'=2.25), гза - отраженная от торца канала ударная волна. Начальные давление 38 торр, температура 293К.

Рис.4

Участок спектра поглощения метана в окрестности О ветви моды г>3 при У=293К, Р=1атм.

РИС.5

Участок спектра поглощения метана в окрестности О ветви моды V за ударной волной (Г=1370К, Р=1.88атм).