Неравновесные радиационные и рекомбинационные процессы при формировании недорасширенной струи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

у /

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОБЬЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

УДК 533.6: 533.9; 934.220 На правах рукописи

ЕМЕЛЬЯНОВ Александр Валентинович

НЕРАВНОВЕСНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ Н РЕКОКБИНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НЕДОРАСШИРЕННОЙ СТРУИ

Специальность: 01.04.08 - физика а хинин плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учено! степени кандидата физико-иатематических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Институте высоких температур РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических неук Еремин А. В.

официальные оппоненты: донтор фязмко-иатекатпческах наук

Васвльева И. А.

доктор фпзяко-математических наук Кудрявцев Е.М.

Ведущее предприятие: Институт Механики НГУ Защита состоатся

.¿д.

1994 Г. в /О час. на заседании Специализированного совета К 002.53 01 по при' суядгению ученое степени кандидата наук по специальности 01.04.08. - физика в химик плазмы при объединенном Институте Высоких Температур РАН по адресу:

127412, Москва, Нжорскай 13/19.

г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОКВТ РАН Автореферат разослан " /ЧЙ^Й* 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного

©Объединенный институт "ИВГАН" Российское Академии Наук. 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Исследования физико-химических процессов происходящих в эерхзвуковых потоках газа ■ плазмы вызывают большой интерес как с ^ндаментальной точки зракия, так и для большого числа прикладных »дач. Большинство кинетических процессов протекающих в высоко-анпературнои релакснрующем газе сопровождается интенсивным излу-эняем во всех областях спектра. Изучение интенсивности и структу-4 спектра позволяет получать реальные значения засоленностей 1Тическн активных состояние как атомов, так и молекул.

Особый интерес в наибольшую сложность представляет изучение эр&вновесных процессов при формировании сверхзвуковых высокоэн-1льпнйных струй газа п плазмы. Оно связано как с исследованием эст&ционарных газодинамических явлений, так и с исследованием »личных радиационных ■ рекомбинационных процессов.

Актуальность исследования неравновесных радиационных и »комбинационных процессов при формировании недорасширенных струй гределяется в порву» очередь необходимостью разработки модельных »счетов газодинамических ■ термодинамических параметров инпуль-кых струйных течений, о также получением знания о кинетики эркярования населенностей отдельно взятых уровней рекомбинирующих гомов и ионов в сверхзвуковых стру.ях. Практическое использование го находят в разработке газодинамических и плазнединамических Озеров, в создании инженерных расчетов выхлопных струй ракетных вагателей на нестационарном режиме работы.

Целью работы явилось экспериментальное исследование неравгп-1стх процессов с участием электронно-возбужденных состояний гонов а ионов в высокотемпературных сверхзвуковых потоках.

Для достижения этой целя были поставлены следующее задачи; . Разработка а создание комплекса экспериментальной аппаратуры и •тояов диагностики для локального измерения плотностей, онцвнтрацай а засоленностей электронно-возбужденных состояний в ипульсных струях.

Анализ особенностей процесса формирования газодинамических аэрыаов в сверхзвуковых струях.

Применение спектроскопической диагностики для регистрация и нализа неравновесных распределений электронно-возбужденных

состояний атонов и ионов.

4. Разработка я, применение метода резонансного поглощён! лазерного излучения для исследования процессов ионизация рекомбинацяк .в apf-оне.

5. Исследование ичанализ энергорбменшх процессов атомов щелочно! металла с. втокани инертного газа в высокотемпературных газовъ потоках.

в. Экспериментальное яселвдоввняе кинетики электронно-возбукден». состояний" атомов в ионов пра электрон- воинов рекомбинация высокотенперртуррыхструях Аг с примесью Na.

Научная ноаизна работы состоит в следующем:

1. Разработан асоздан комплекс, электронно-пучковой дпагностш нестационарныхяпотоковразрежэшюго газа, позволяющий производи! непрерывные, измерения плотности.- концентраций и заселенност) электронно-возбужденных уровней в импульсных струях как приосевой, так я в периферийных' областях потока.

2. впервые измерено распределение плотности в нестационар» струях эниссвонно-пучковым методом при одновременных язмереня! плотности методом поглощения электронного пучка.

3. Получены энпиряч<ески&'уравнения движения стартовых разрыв' (первичной ударной волны, , фронта истекающего газа, вторячю ударной волны) при. запуске недорасояренной струя в обобщен» координатах, обобщающие все экспериментальные результаты.

4. Впервые применена резонансная пазерно-абсорбционная спектро копия для исследования процессов ионизации и рекомбинации Аг высокотемпературна газовых потоках.

5. Впервые обнаружена инверсная заселенность на 4р'-4в* пвреха Лг1 в неравновесно-рекомбинирувщей струе, измерен коэффвцпе усиления на длине волны 852 им я его завясямость от параметр! потока.

6. Впервые экспериментально определено распределение заселенна

тэй уровней иона я атома аргона в неравновесно-ионизованной стру

Получены экспериментальные результаты по температурам заселен:

электронно-возбужденных состояний в Arl, Aril и температу; 2 -

заселения состояния 3 Р Na, которые дают информацию о поуровнвв распределения энергии в процессе рекомбинации^ударно-нагрет струе аргона.

Научная и практическая ценность работы определяется тен, что йдены обобщенные газодянакические закономерности описывающие оцесс формирования струй, исследована кинетика процесса заселе-я отдельных электронно-возбужденных уровней атока а иона аргона, также естественной принеси натрия в неравнозесно-реконбиниру-;пх струях и найдыны условия возникновения инверсной заселенности длина волки 352 нн перехода 4p'-4s' Arl.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и суждалясь на II я IY школах-конференциях ^Кинетические и газо-наначеские процессы в неравновесных средах" (Москва, 1984, 88), на XY Всесоюзной школа-конференции по теемдаи аэрофизичес-ж исследований ¡(Нодесдабгдзск, 19G6), ¡на £Х я X Всесоюзных нфаренциях по де.аамнке -р&зрежаншк газов '.(Свсрдловск. 1987, скза, 1989), «а XI Международном симпозиуме по гс^егта» (Варшава, 87) , на III Всесоюзной конференции молодых исследователей ктуальныэ вопросы теплофизики и физической гидрогазодянамакя" овосябирск, 1989), на III Всесоюзной соэещания "Физика в зодвнаиика ударных волн" (Владивосток, 1939), на XY Всесоюзной минаро по газовым струям (Ленинград, 1990), на XIII ждународном симпозиуме по динамике взрыва я реагяруащах састен агайя, i'SSi), а также на конференциях НФТИ, НВТАН, МГУ, ИТФ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, исок которых приведен в конце автореферата.

Диссертация состоят из введения а четырех глав. Полный объем ссвртацин составляет -/62 страниц, в том числе ^/страниц текста, Z рисунков, 2 таблицы а список литературы, содержащий внонованяе.

КРАТКОЕ СОЯЕРЗАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во ВВЕДЕНИИ сформулирована постановка задачи и основные ложаная вынасмиыо на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ представлен обзор основных результатов по сперннвнтальному я теоретическому изучении особенностей задянаническнх, кинетических и радиационных процессов в дорасвшроннызс струях. Показано, что для исследования зико-хинических процессов происходящих при формировании струи обходимо надежное знание распределения газодинамических и |рмодинакнческнх параметров в истекающем газе.

Сопостаг.чинив ранее проведенных экспериментальных ланных по

исследованию нестационарных процессов при запуске недорасширенны: струй с численными расчетами [1] проведенное в работе [г], выявит достаточно хорошее согласие, что позволяло проводить качественны! оценки реальных параметров импульсных струй. однако получении! экспериментальные данные охватывают далеко не весь диапазо! нерасчетностей, вида исследованных газов, мерности потоков и дл( надежного анализа неравновесных процессов в лабораторных импульсных струях необходимо иметь непосредственную ннформацив о газодинамических параметрах в исследуемых режимах. Поэтому в предлагаемой диссертации были проведаны самостоятельные экспериментальны« исследования по уточнению газодинамических закономерностей пр1 формировании недорасширеншх струй, используемых для изучена! неравновесных радиационных и рекомбанационных процессов.

Проведен обзор работ по исследованию неравновесных процессов, происходящих при ионизации и рекомбинации в потоках высокотемпературного газа. Отмечено, что протекание этих процессов неизбежн« приводит к отклонению от равновесия в функциях распределения высаковозбужденных энергетических состояний частиц газовоп потока. Одним из важнейших проявлений этого процесса являете) неравновесное излучение электронно-возбужденных атомов и ионов.

В представленной обзоре покизано, что при разлете плазм происходит «замораживание» степени ионизация в рекомбинирукхае! струе л может происходить возникновение квазистационарной инверсии, обусловленное быстрым радиационным распадом нижних рабочвд уровней. Пря этом электронная температура и температура тяжелы] частиц значительно превышают поступательную температуру потока.

Описана схема численного иоделсрооанпя процессов определяют«] формирование функции распределения частиц в рекомбинярующем поток« аргона. Представленная схема к проведенные по неб расчет! выполненные Шумовой В. В. пепользооакы для анализа полученных 1 диссертации экспериментальных результатов {Ен.-12].

Во ЬТОРОЙ ГЛАВЕ дан обзор и проанализированы различные метода электронно-пучковой диагностики. Описан разработанный и созданкы! на стенде "ИРИС" ИВТ АН комплекс электронно-пучковой диагностики, включающий в себя систему формирования электронного пучка, систем} вакуумяровакия электронной пушки, састеиу регистрации тока пучка, систему регистрации излучения и систему евнхронизацип регистрирующей аппаратуры (ряс. П.

Истечение газа происходит через осесииметричное звуковое

Рас. I. Экспериментальная устновкл "НРНС" для элвктрокно-пзгчковой а) я спектроскопической б) дсггностжкя нкпулъсных'струа. 1-ударная труба, 2-плоская канера, 3-ивлввов сопло, 4-Люмен, 5 - реконбншруи^зя струя, В-фильтры, 7-«ЗУ, 8-осякллографы С9-8, 9 - 1ВМ-ЛТ-288

сопло г,»С,25 мм, отделенное диафрагмой от вакуумно! камеры, система откачка которой создает разрежение 10~2-10~3Торр. Координатное устройство позволяет располагать сопло на различных расстояниях от диагностического электронного пучка, пересекающего исследуеную импульсную струю.

Создании! комплекс аппаратуры позволяет производить

непрерывные измерения плотности, концентрация к засоленностей

электронно-возбужденных уровней в импульсных струях в течении

всего рабочего времени установки от начала истечения до возмущения

состояния газа у торца трубы, т. е. в течении - 1000 мкс. Система

регистрации излучения обеспечивает пространственное разрешение не 3

хуже 1 км при временном разрешении не менее 1-3 нкс. Созданная аппаратура позволяет проязводять измерение концентраций и заселенностей в диапазоне 1013 - 101S см"3 с точность» 20-30%.

Регистрация тока пучка позволяет, используя нетод поглощения, производить независимые измерения плотности потока в пределах от Ю12 - Ю15 ск 3. Координатное устройство и устройство для перемещения сопла дают возможность производить измерение по всему полю течения, как в приосевой. гак и в перефирийных областях потока.

Для количественных измерений плотностей я концентраций проведена серия калибровочных экспериментов с медленным (за 2-5 сек) наполнением барокамеры при непрерывной регистрации давления, тока на коллекторе и интенсивности излучения, вызываемого электронным пучком в газе. Согласно калибровочным экспериментам определена

минимальная величина регистрируемых концентраций для интегрального'

12 -3

метода поглощения электронного пучка nmin = 7,5-10 си . Нижний предел Концентраций, регистрируемых в локальных эниссионно-пучковых измерениях в интегральной полосе 6Л*2000 + 6500 & в Ar составил п^-5.5-1013 си"3, а в линии А-4880 t 10 Я » Ar пФ =31014 см"3, верхний предел по всей методам составлял п^^« Ю см 3.

На стенде "ИРИС* впервые с использованием локальной эмиссион-но-пучковой диагностики при одновременной регистрации поглощения электронного пучка был исследован процесс формирования струй азота и аргона, истекавших в пространство с давлением Ри = (1*5) ■ 10"3 Topp, при параметрах торможения Р .5+6 ати, TQ» 300 К. Рассматриваемые значения нерасчетности N » 10® и геометрия течения, определяемая диаметром сопла, охватывают ранее неисследованм^й диапазон определяющих параметров.

Совокупность получениях данных дала возможность проанализи-

е

ровать динамику заполнения фонового пространстве я распределения плотностя вдоль ос* струя.

Для анализа динамики развития струя в периферийной зоне были проведены измерения плотности в двух поперечных сечениях потока на расстояниях X » 5мм к X » 54мм от среза сопла. На расстоянии Х»5мм измерения проводились как локальным эмиссяонно-пучковым методом, так и методом поглощения электронного пучка с последующих решением интегрального уравнения Абеля.

На ряс.2 с левой стороны представлены полученные таким образок распределения плотностей в Аг и в различные моменты' временя, а с право* стороны - распределение плотности в этом же сечении в те же моменты времени, полученные по эмиссяонно-пучковым измерениям.

Сопоставляя полученные различным* методам* результаты, можно отметить, что в азоте лучше согласуется данные для начальной стадии течения, а в аргоне близкими оказались распределения, соответствующие более поздним моментам временя. Большие значения плотности на оси струи полученные по поглощению электронного пучка в начальные моменты времен* в Аг. чем значения плотности полученные локальным методом, могут явиться следствием осевой ассимкетрия струи, что наблюдалось в работе [3]. Кроме того плотность на ося формирующейся струя в азоте для х/г# » 20 изменяется со временем но монотонно. Максимальное яз приведенных на рис. 2 значение Рг/Р„ достигается для 14мкс (ру/р„ " 500), а затем оно падает до - 430*420 р для {8мкс и - 320+260 р - для 85мкг. В Аг не получено подобной немонотонност*. Плотность на ося растет со временен как для х/г, « 20, так я о более далекой зоне точения. Причиной этой немонотонности может быть возникновение вторичной ударной волкы в Н^ уже на близком расстояния от среза сопла, в то время как в Аг на таком расстояния вторячная волна еще не сформировалась.

Полученные распределения определяют общую геометрию струя, формирование боковых висячих скачков я характер изменения плотности в приосевой зоне - прохождения участка уплотнения в и плавное нарастание плотности в Ас.

Данные, полученные по динамике двяженая характерных неодно-родностей вдоль оси потока, дают возможность определять масштаб временя распространения всей нестационарной стадии течения.

На установке "Диоген", любезно предоставленной Голубом В. В. и

Рис, S. ^аспредвлввяе плотности » нг я я Ar в раэмгчныа кохвнты врвхвюн справа - полученное по экжсскоино-пучковым ю мере-МММ) слова - полученное путах чвсяввного реоенхя ура» н* юг ж _Абвля для «втвграяьного погясцавм пучка

h

9i

- • • и *

4 » \ t

• '/F -«.e

-ь»

/у 'XI - •

н vi -2-Я

мдвго газа

Шульмейстером A.M. для проведения экспериментов, исследовалось формирование волновой структуры двумерных импульсных струй Аг, N2 и COg. Истечение происходило из щелевого сопла с полушириной г„ » I, 15мн, длиной d = 40мм, установленного в конце ударной трубы, соединенной с вакуумной камерой, в которой была смонтирована специальная приставка, организующая двунерность течения. Процесс истечения регистрировался шлирен-методой с использованием стандартного прибора ИАБ-451 и искрового источника света, интенсивность которого при времени экспозиции - X нкс, обеспечивала возможность регистрировать картину течения в импульсной струе с 2-Х' кратным уменьшением. Регистрация процесса при большом размере кадра позволяла анализировать детали структуры и определять координаты поверхностей разрыва относительно среза сопла. Случайная ошибка определения скоростей волны при покадровой регистрации составляля величину - 1%.

Теплерограмны процесса истечения получены в двух плоскостях для разных стадий, начиная от 7+10 икс с момента появления истекающего газа на срезе, и кончая картиной течения, соответствующей - 300 нкс от начала истечения. Максимальное время наблюдения ограничено размерами двумерной приставки - 200 мм. В проведенных экспериментах числа Маха падающей волны в ударной трубе составляли М = 8+3, что обеспечивало Т0 « 3000+1000 в С02, Т0 = 5000+1500 в М2 и t0 = 13000+2S00 в Аг. Исходная нерасчетность изменялась в пределах N « Р0/Рв « 1000+50.

В работе [2] изучение закономерности движения фронта

истекающего газа из осесимкетричного сопла позволило обобщить

экспериментальные денные для Аг i N, в координатах подобия л X „ t-u»

•■^ТГ/ •"Wr*

{ и» * 1 _ i'Co ' иакс*кзльная скорость нестационарного истечения в вакуум), и получить эмпирические уравнения движения фронта М2 и Аг в этих координатах.

Результаты настоящих экспериментов по динамике фронта исте-газг

1т

Л75

каюиего газа, представленные в подобных координатах * - -*1/а *

г»'м

в » ¡^ , ( где степень 1/а учитывает мерность течения: а • 1

- двумерная струя, о » 2 - осесиккетричнля струя) как в одном газе для разных режимов течения, так и в разных газах для близких режимов течения обобщить не удается. Расхождения между данными для аргона и СО^ достигает.. 100Х. Таким образом, чтобы найти обобщенное

уравнение движения фронта истекающего газа, необходимо было продолжить поиск критериев подобия, отражающих как разные режимы течения, так и физические свойства разных газов.

На первом этапе было получено обобщение в каждом газе для различных режимов течения. Режимы течения отличаются по нерасчет-ности N и температуре. Так как в координату * нерасчетность уже входят я от варьярования еб степени обобщения не получается, то необходямо было дополнять $ сомножителем, учитывающим температурный фактор. В работе (1} этот сомножитель входил в координаты подобия в виде ( Т0/Т )0'5, однако для настоящих экспериментов это не привело к обобщению.

При анализе полученных результатов было замечено, что обобщение в каждом газе получается в том случае, когда степень температурного фактора, входящего в координату ямеет разное значение для каждого газа. Сопоставление этих значений позволило записать общее выражение для степени в виде: ((у-1)/2). Таким образом, координата * представленная в следующей форме:

* х г-м(тм) У

обобщает асе полученные режимы течения в каждом газе. Расхождение данных, полученных в разных режимах, не превышает в этих координатах 8Х,. однако различия между данными в разных газах такие координаты не устраняют. О

На втором этапе необходямо было дополнять координату*сомно-жятелем отличающимся для каждого газа. Диализ данных по движению фронта истекающего газа вдоль оси потока показал, что при использовании в координате в скорости нестационарного истечения в вакуум (и* « 2Сй/(»-1)) или скорости стационарного истечения -- (и. «

» С"/2/(7-1)) обобщения в разных газах не получается. Однако при

2

введении в координату в сомножителя ((у-1)/2) удается обобщить данные по движению фронта для всех исследуемых газов. Таким образом в следует записать, в виде:

е , ь . т-1 ,с 1 2 °

Обобщенное уравнение движения фронта истекающего газа в эти» координатах имеет вид:

ех - 0,1 ♦ 0,1 ** (1)

которое с точностью 10К справедливо для двумерной струя в Аг, М2 »

С02 при = 0,05 -' 2, 3 .

Сопоставление результатов настоящих экспериментов ( прямая 1

с ранее полученным* зависимостям* для движения фронта истекавшего

газа в осесимметричных струях в координатах Хдг^ я 1д9, приведено

на ряс. 3. : 1а - Аг, 1б - И2 при N » 108, Т /Тв « 1 [2} ; 2а - Аг,

26 - М2 при N = 106, Тс/Тш - 1 [Ем-6] ; За - Аг, 36 - »2< Зв - С0г

при N = 50 - 100, Т /Т » 6 - 12 [41. Из сопоставления всех ранее о «

полученных результатов для движения фронта струя истекающего газа видно, что полученное уравнение в на»денных параметрах подобая *1 к 01 наиболее полно описывает движение фронта. Это уравнение может быть рекомендовано для описания движения фронта струи истекающего газа на нестационарно* стадия течения. •

Подобному анализу были подвергнуты экспериментальные

результаты по динамике вторичной и первично! ударно! волны,

распространяющееся в истекающем газе. Экспериментальна« данные по

движению вторично! ударно! волны хорошо обобщаются в полученных

координатах. Ев уравнение движения запишется в виде:

е1 » -0,07 ^ + 0,8 ** ,

где изменяется в пределах • 0,25 -2,3. Отрицательны!

коэффициент при лнке!ном члене отражает тот факт, что вторичная

ударная волна возникает не у среза сопла, а на некотором рассто-

2

янии от него > 0,1. Коэффициент при имеет большее значение, чем в формуле (1), что отряжает значительное замедление движения вторично! волны и ев отставание от фронта истекающего газа.

Лля первично! ударной волны обобщения в полученных координатах не получилось я координату пришлось немного изменить-.

в, , —ь ./ЦЕ-с

При этон экспериментальные данные по движению первично! волны в Аг, N. я со2 описываются уравнением:

Э2 - 0,11 ♦ 0,09 • и хорошо обобщаются (с точность» 10*) в координатах 02, Полу-

ченные уравнения движения стартовых разрывов бьшк использованы при разработке численных моделе! неравновесного излучения импульсных стру! [5].

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена развит*» экспериментальных методов диагностики электронно-возбужденных состояние атомов в ионов в неравновесном потоке ударно-негретого газа. В экспериментах были использованы разнообразные методы спектроскопической диагностики, дающие разностороннюю информацию о высоковозбужденных атомах и ионах. Помимо спектральных лини! основного газа выделялись сильные

резонансные линии примесей щелочных металлов, являющееся весьма удобным сродством для экспериментального определения целого ряда свойств изучаемой среды .

Эксперименты проводились на стенде "ИРИС" состоящем из ударной трубы диаметром 50 км и состыкованной с ней плоской вакуумной камеры, шириной 45 кк (рис.1.). Стенд оснащен многоканальной эмиссионно-абсорбционной спектроскопией и лазерной диагностикой, в качестве источников сравнения для спектроскопических измерений использовалась: ленточная вольфрамовая лампа ТРУ-2300-2350 калиброванная с точностью до i К. прибор "Люмен" на основе дуговой ксено-новой лампы высокого давления ДКСШ-200 (с яркостной температурой ~ 4200 К). Приемниками излучения служили ФЭУ-86, ФЭУ-140- Фотон, ФЭУ-62 выход которых был согласован со входом цифрового осциллографа С9-8. Измерения проводились с использованием интерференционных фильтров фирны "Spectrum System" и Киевского завода "Арсенал". Все оптические детали схемы, включая окна, линзы, полупрозрачные зеркала выполнены из CaF2 прозрачного от О. 2 до 8 ккк.

Для средств лазерко-абсорбционной диагностики использовался непрерывный аргоновый лазер ЛГН-503 на длине волны X = 488 ни.

В одном эксперименте информация может поступать по ю' параллельным каналам ( ФЭУ, датчики давления) на вход осциллографов C9-Q, которые запоминают кх в цифровой форме с частотой опроса =■ 1 Мгц, длительностью опроса до 1 мсек и отображают на экране. Осциллограф С9-8 связан по линии КОП (канал общего пользования) с интерфейсной платой IBM PC/AT. Экспериментальные данные, полученные с С9-8 поступают в ЭВМ, записываются на магнитные носители я могут выдаваться на печатное устройство. Аппаратура позволяет изменять масштаб осциллограмм как по горизонтальной, так я по вертикальной оси, что расширяет возможности изучения нестационарных процессов различной длительности я амплитуды.

В работе были проведены спектроскопические измерении уровня электронного возбуждения и концентрация атомов Na за отраженными ударнымк волнами в аргоне при текпвратурах 2000-3000 К. Измерения проводились обобщенным методом обращения спектральных линий, т.е. в каждом эксперименте регистрировались абсорбционные и эмиссионные сигналы на длине волны 589 нн Д-линия натрия, эксперименты проводились при начальных давлениях от 50 до 6Q0 мк рт ст. , а числа Маха падающих ударных волн менялись от 2,8 до 3, 5. При этом равновесная температура менялась от 1800 до 2700.

По полученный осциллограммам поглощения и излучения на длине волны Д-линяи Na был рассчитан ход температуры электронного возбуждения натрия в каждом эксперименте.

На рис.4. представлена зависимость сечения тушеная натрия

аргоном ( о"т ). определенного по времени релаксации эмиссионного и

абсорбционного сигналов «^«l/N-vi, от температуры аргона. Видно,

что в диапазона температур от 1800 до 2800 К сг лежит в пределах -212

(5 J 3)-10 см и не меняется с температурой. Полученное сечение примерно в 106-107 раз ниже чем сечения энергообмена натрия с двухатомными молекулами. Столь низкое значение сечения энергооб-мака натрия с аргоном в целом ряде ситуаций может явиться источником возникновения неравновесного уровня заселения электронно-возбужденного состояния натрия в атмосфере аргона.

Следующая серия экспериментов за ударными волнами была посвящена отработке методов эмиссионных и абсорбционных измерений заселенностеЯ отдельных электронно-возбужденных состояний атома и иона аргона. Эксперименты проводились за отраженными ударными волнами при Т • 7000-12DQQ К н давлениях Р5 = 2-20 атк. Измерения выполнены в ударней трубе на расстоянии 7 нм от торца.

Регистрация излучения производилась одновременно по четырем каналам с помощью ФЭУ-140-"ФОТОН", ФЭУ-86 и *ЭУ-51, перед которыми устанавливалась интерференционные светофильтры с полосой пропускания 20-SO нм. Пространственное разрешение схены составляло не более 2 мм, временное -1 мкс. Начальное давление в ударной трубе менялось а пределах от 2 до 55 Topp, числа Маха падающей ударно-! волны от 6, 1 до 11,3.

Обработка получзнкых данных дала возможность определить эффективные сеченая я энергии нижних уровней выделенных оптических переходов, что позволяет однозначно и достаточно надежно интерпретировать наблюдаемые экспериментальные сигналы. На рис. 5 приведен пример экспериментальное зависимости интенсивности эмиссионного сигнала на дляне волны Л=852/ш. В дальнейшем эти сечения были использованы для получения количественной информации о заселенности* различных энергетически» состояния в неравновесно-рекон-бикирующей ударно-нагротой струе.

D ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты экспериментального исследования кккатики формирования населанностей возбужденных уровней атома АП и иона Arll в расширяющемся сверхзвуковом потоке на основе прямого спектроскопического наблюдения за концентрациями

ю

10

-21

10

-22

-23

2

с (cm )

Te

10 III IIIIII lililí IIIIIIIII Mill Mill IHM I|IIII 114 И II il 11141

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2000 Ряс. 4. Сечете тушения состояния 3*Р Na аргоном

-44q

-46

-48

-50-5

-52

-54

-56

-580,

РЯС. S

Л - ln|-x-ln [ l-^-'.«p(he/m).-

exp(-hc/®0|j/V gnll -* '

-4

_■ 1/T 10

IIIIIIIIIIIIUHHIJt|IIIIIIIIIHIIIIIMIIII|llll|lllllll|||HIIIIIH|

0 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.éo 1.80

Температурная завясяхость результатов эмиссионных измерений для X » B52HM. Пряная - линейная апроксимация ИНК

возбужденных уровней, а также проведен анализ полученных данных на основании сравнения с расчетон, выполнении Шумовой В. В. (Ем- 12], на основе численной надели кинетики засоленностей электронно-возбужденных состояний рекомбинирующего аргона в сверхзвуковом потоке. Анализ результатов спектроскопических измерения в струе проводился с использованием данных о газодинамике струи, полученных в главе 2 Истечение газа, нагретого ударной волной, происходило из звукового шелевого сопла полушириной h,»l мм. Камера низкого давленая ударной трубы я вакуумная камера наполнялись исследуемым газом до давлений Pj-2+80 Topp. Перед наполнением системы аргон подвергался очвстке в азотной ловушке, после чего уровень примесей

-3

нв превышал 5,0x10 %. Давление толкающего газа (использовался Не) составляло 30+60 атк. Рассчитанные равновесные параметры газа за отраженно! ударной волной, т.е. параметры торможения истекающей струн, составляла: То«7000+13000 К а Ро»1+20 атм. Спектроскопические измерения эмиссионных я абсорбционных свойств патока проведены на оса струи иа расстоянии 4, 3 ни от среза сопла.

В проведенных экспериментах была получены эмиссионные и абсорбционные сигналы на одних я тех же длинах волн, при тех же значениях D ( аппаратного коэффициента ), что и в экспериментах за ударными волнами.

На длине волны 48внн помимо энассионно-абсорбционных измерений проведены также измерения методом резонансного поглощения лазерного излучения ( использовался лазер на ионе Ar ЛГН-50Э). в диапазоне температур торможения от 12500 до 10100 К получено как поглощение так и усяление лазерного излучения.

Анализ полученных осциллограмм показал, что на длине волны 852, нм, отвечающей переходу 4р'-4з' в атоме Ar, сигнал в абсорбционном канале (отражающий усиление интенсивности излучения источника сравнения) в несколько раз превышает эмиссионный сигнал. Этот факт свидетельствует о большей заселенности верхнего состояния (4р), чем нижнего (4s), т.е. об инверсной заселенности оптического перехода. При совкестноЯ обработке абсорбционных * эмиссионных сигналов был определен коэффициент усиления

К - (1/1) 1Л <<Ia- Ie)/'l0) (2)

на длине волны 852 нм. зависимость которого от температуры торможения струи представлена на рис.6. Погрешность единичного измерения к: определялась приборной погрешностью и погрешностью измерения амплитуды сигнала в зависимости от рысокочастотного шунл

0.01 -

0.001

-г

к (ст )

2

То

т 1п н I п п ми |

1111 I 11 I 11 III II 111 цп ни ИТ |

4000.0 6000.0 8000.0 10000.0 12000.0 14000.0 Рис. в. Экспериментальная ж расчетная зависимость коэффициента усиления на длине водны 882 нк в аргоне от температуры торможе-

ния. о - экспериментальные значения при Р

» - го же при Р0 • 1 ♦ 3 атм. Линии: 1 атм, г - расчет при р » го атн.

о 1 -

• в го атк, расчет при Р0 •

— О.ООТй I I з I ■ I I ■ I | ■ ч I I I »> < м ■ I I I | | | I I I > I ......... I .........

7000 вООО вооо ЮООО 1 1\000 1200<

Рис. 7. Экспериментальная и расчетная зависимость коэффициента поглощения и усиления на длине волны 488 ни в ионе аргона от температуры торможения.

■ составляла - 4%. Погрешность определения температуры TQ аргона эа отраженно! ударно! полной по скорости падающей волны UQ оценивается в -lot.

На рис.6, -экспериментальные дынные полученные на расстоянии

4,5 мм от среза сопла сопоставлены с расчетными зависимостями

коэффициента усиления от температуры торножания струн при PQ«l и

Р о=20 атм. Разброс экспериментальных значений к при высоких

температурах, заметный на рис. 6., обусловлен тем, что они получены

при разных значениях Р . Из рис. 6. видно, что при возрастании

температуры торножения от -7000 К до -13000 К коэффициент усиления

возрастает более чем в 300 раз, и его максимальное значение в

-2 -1

условиях наших экспериментов составляет 5'10 см Среди причин расхождения экспериментальных и расчетных величин коэффициента усиления в области низких температур при высоком давлении в первую очередь следует указать оценочный характер использованных констант етолкновхтельных переходов с участием высоковозбужденных атомов аргона, а также схематичность рассмотрения высоковозбужденных атомных уровней (со значениями главного квантового числа п>7). при которой не рассматривалась их структура. Завышение расчетного коэффициента усиления отчасти может быть связано с также с тем, что в кинетической модели не была принята во внимание дезактивация атомов аргона на возможных примесях (Н20, Н^).

Характер распределения по электронно-возбужденным уровням иона аргона, в отличие от атомных уровней Аг, не является результатом рекомбинациоиных процессов в струе е рассматриваемом диапазона температур и давлений. При температурах торможения То«7000-13000 К И давлениях в несколько атмосфер концентрации двукратно ионизованных атомов Аг++ не превышают 0, 1% от обшей концентрации частиц, и вклад реакции рекомбинации

Ar+* + е ♦ е --> Аг+

+ е

в формирование населенностей уровней Аг*, как показали расчеты, не превышает нескольких процентов их величины. Таким образом, неравновесный характер заселения уровней Аг* может быть обусловлен только различием друг относительно друга радиационных времен жизни отдельных возбужденных уровней и скоростей столкнояительных переходов хежду ними.

Па рис.7, .представление зависимость <коэффициента поглощения и коэффициента усиления) на длине волны ияз ни от температуры торможения'струи, рассчитанная для точки, удаленной на 4.5 калибра

от среза сопла совместно с экспериментальными данными. Расчет проведен аналогично тому, как это было сделано для перехода 4р-4в атома аргона. Экспериментальные данные полученные при давлениях торможения Ро > Юатн разбиты на две группы: звездочки соответствуют эмяссионно-абсорбционным экспериментам, а квадратные значки -экспериментам полученным по резонансному поглощению лазерного излучения.

Можно констатировать удовлетворительное соответствие расчетных а экспериментальных результатов в диапазоне температур Т0 от 7000 до 8000К и от 9600 до 11000. Экспериментальные данные полученные по резонансному поглощению лазерного излучения соответствуют наклону расчетной зависимости при падении коэффициента усиления и переходу его в область поглощения. Необходимо однако отметить, что узки! максимум в коэффициенте усиления, предсказанный расчетами в узком температурном диапазоне 9000- 1000 К в экспериментах не был зафиксирован, что можно отнести кан на не учет в расчетах процессов тушения возбужденных состояний иона на атомах и ионах, так и иа недостаток экспериментальных данных в области То - 9000 К пря Р > 10 атм.

Помимо найденных значений коэффициентов усиления и поглощении для различных переходов, полученные экспериментальные результаты дала возможность непосредственно проследить за тенпературами заселения возбужденных состояний атома ■ иона аргона.

Действительно, коэффициент усиления, полученный в эксперименте может быть выражен как отрицательный коэффициент поглощения и связан с засоленностями состояние:

* - - V - аэфф. < м2 - V ' <3>

где Ы^, Н2 - заселенности состояний 4е а 4р соответственно. Тогда

используя формально соотношение Больцмана, связывающее N с температурами заселения состояний:

- И0ехр(- Е1/К Т£*) (4)

(Т\ - температура заселения 1-го уровня, В^- его энергия. Ы0-концентраиия ионов) и проведя расчеты с использованием эффективных сечений переходов, найденных в главе Э, были получены значения температур заселения а значения засоленностей излучающих состояний. На рис. 8а). представлены расчитанные по экспериментальным данным температуры заселения состояний 4р « 4в Аг1 в зависимости от температуры торможения для сечения х » 4,5 »V Температура заселения состояния 4р превышает^заселени* состояния 4в во всем

. да ■'

21000

16000

11000

6000

То

и- и 1111 m |i им il и и i.....и i m m m mi mu mi

40 30 6000 CODO 10000 12000 14000

8000 : 70006000 5000 4000 3000 2000 1000

0

То

4000

I II I I ir I I I « I 11 lllllll Ч1П111|1111Ч1|1|П1П111П

6000 8000 10000 12000 14ÖOO

b)

P«c. 8. Температуры заселен«« элехтронно-возбужденных состояния 4р в 4вАг1 - а) *32Р На - б) в ударно*нагрето« струе аргона.

т

исследованном диапазоне температур.

Подобным образом бь!ли получены температуры заселения

состояний 4<34 а 4р4 и температура перехода на длине еолны 352 им в

Аг11. Температуры заселения этих состояний практически равны между

собой ■ находятся в пределах от 3400 до 4200 К.

2

Температура заселения состояния 3 Р На представлена на рис. 86). Видно, что температура заселения этого состояния в качала (в пределах оаибки измерений) растет пропорционально поступательной температуре (при Т < 8000 К), затем рост температуры заселения

ч

состояния ЗР На заметно ускоряется, это можно объяснять, рас-

2

смотрев кинетическое уравнение для концентрация состоянкя з Р На

!-$Г*1-№Мо " <кЧЫе+кЫ>> + кв г,е ,

где к - константа тушения с высоколежащих уровней на уровень 3 Р,

г 2 - константа тушения состояния 3 Р в основное состояние натрия,

константа радиационного перехода, к- константа возбуждения

2 2 Ыа из основного состояния 3 8 в состояние 3 Р, N - полная

о

концентрация ионов в высоколежащих состояний атома натрия. Не -

концентрация электронов, [На*], [На] - концентрация возбужденного

2 2 (3 Р) и основного (3 8) состояний На. Реваняе этого кинетического

уравнения может быть записано в виде

ГКаПТ) - ехр { - (*а(Т>.Ке(Т) ♦ +

Таким образом, при низках температурах концентрация состояния 3 Р

Ма определяется в основном константой радиационного перехода , что

и видно не рисунке, при Т < 8000 К температура заселения электрон-

2 '

но-возбукдаиного состояния ЭР натрия растет практически пропорционально Тт- В дальнейшем при росте температуры и относительном росте Ке наибольший вклад вносят процессы электронного возбуждения натрия в столкновениях с электронамии и ТЦа< приближается к температуре электронов в исследуемой точке потока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ. 1. На установке "ИРИС" разработан и создан комплекс элвктрон-но-пучковой диагностики нестационарных потоков разреженного газа, позволявший производить непрерывные измерения плотности, концентраций х засоленностей электронно-возбужденных уровней в импульсных струях как в праосевой, так я в периферийных областях потока.

2.Экспериментальная установка "КРИС" оснащена спектроскопическим и лазерио-абсорбционным оборудованием для исследования неравновесных явленай, происходящих при электронной возбуждении.

ионизация я рекомбинация высокотемпературного газа. Процесс сбора информации. получаемой в каяяом эксперимента полностью автоматизирован.

3 Впервые для нестационарных струй измерена плотность змиссионно-пучковым методом при одновременной регистрации поглощения электронного пучка. Полученные распределения плотности определяют обдую геометрия струя, формирование боковых висячих скачков и характер изменения плотности о приосввой зоне потока Аг

и N.. Определена область нестационарного режима течэнвя для ранее * g

неисследованных параметров струя (N - 10 ).

4. Получены уравнения движения стартовых разрывов (первичной ударной волны, фронта истекающего газа, вторичной ударной волны) в обобщенных координатах (для Аг, N^ в COg), которые отражают нерасчетность процесса встечения, габаритные размеры ' сопла, температуру торможения и вклад внутренней энергии газа в направленную кинетическую энергия потока.

3. Определено сечение энергообмена натрия с аргоном в диапазо-

- 21 2

не температур То«1800+2800. которое составило а »(5±3)-10 сн .

6. Впервые проведено исследования механизма и кинетики формирования населенностей возбужденных урогчей атома Arl, иона Aril и прсмеск натрия в расширяющемся сверхзвуковой потоке ка основе пряного спектроскопаческого я лазерио-абсорбционного наблюдения за концентрациями возбужденное уровней - а результате:

6.1. Впервые обнаружено наличие инверсной заселенности на длине волны Л«852 нм в Arl, определен коэффициент усиления и его зависимость от параметров потока. Полученные результаты доказывают неравновесный характер заселения электронно-возбуждение состояний я объясняют механизм возникновения янворсав на 4p'-4s' переходе атома аргоне в реконбзнвруваеВ сверхзвуковой струе.

6.2. Получена экспериментальная зависимость коэффициента усиления и коэффициента поглоцакия ка влзнз полны 438 ю: от TQ, соответствующая 4р-4в переходу в пои® Аг+. ка расстоянии 4, 5 калибра от среза сопла. Проведено сравнэинэ с расчетной зависимостью. Показано, что неравновесный характер заселения уровней Аг+ иояет быть обусловлен только различием друг относительно друга радиацео:шых времен жизни отдельных возбужденных уровней и скоростей столкновнтельных переходов кевду ними.

б. 3. Получены экспериментальные результаты по тенпературак

4 '4

заселения состояний 4р и 4з в Arl, 4d я 4р в Aril и температура

заселения состояния з^р (На, кот.^да дают информацию о поуровневон распределение энергии в процессе реконбнкацива ударно-нагретой струе аргона.

Полученные результаты могут быть использованы для анализа энергообменных процессов в неравновесном ионизованном газе s отработки моделей поуровнево# .кднатккн ионизации в рекомбинации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Емельянов Л. В., Еремвк A.B., Набоко H.H. Эннссвонно-пучковая диагностика колебательно-неравновесного газа. // Тр. XI Школы -конференции "Кинетические а газодинамические процессы в неравновесных средах" , Нзд-во 1984, C27-28.

2. Емельянов A.B., Ерекин A.B., Набоко й-й- Развитие локальной электронно-пучковой диагностика для исследования иипул.ьс.иых разреженных струй.// Сб. Физические методы исследования прозрачных неоднородностей, МДНТП, Москва, 1987, с. S3-60.

3.Emelyanov A.V., Eremin A.V., Haboko I.M. Dynamics of the underexpansiop jet formation process.// Proceedings of XI ICOD5RS, Poland, Warshava, 1987.

4. Емельянов A.B., Еремин A.B., Набоко IS.iJ. Экспериментальное исследование процесса формирования надорасширанкм;: струй. // Труды XII Конференции молодых ученых МФТИ, ч. II, дэп. ЕИНИТК 31.08.67, Î1 6380-В87, Москва, 1987, с. 63-68.

5. Емельянов A.B., Ерокин A.B., Зиборов B.C., Набоко ИИ. Многоканальное исследование нестационарного излучении импульсных струй.// Тр. Юбилейной конференции ИЬТАН, Москва, 1387.

6. Емельянов А. В. , Ергкдн A.B., Набоко U.U. Локальное элэктронно-

-лучевое исследование процесса формирования ишульсной струп.// Труды IX Всесоюзной конф. по дананике разреженных газов, Т.З, Свердловск, Изд-ао Уральского ун-та, 1SS8, с. 123-134.

7. Емельянов A.B. Неравновесное излучение натрия за ударклна волнами в аргоне.// Ш-я Всвсоэзная конф. пол о дых последователей "Актуальные вопросы тепяофазяки и фианчвской гидрогазодянакики", Новосибирск, 1989, с. 104-105.

8.Емельянов A.B., Еремин A.B. Данаикка стартовых разрывов при запуске недорасширеиных струй.// Тр. X Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов, Кзд-во МЭИ, Москва, Т.З, с. 165-172.

9. Емельянов а. в. , Еремин A.b. Релаксация электронно-возбужденного натрия за ударными волнами в аргоне.// Тр. III - Всесоюзного сове-

ианУ&" "Фязяк'а' и* газодинамика "ударных вопи". Владивосток, 1989, с. 53-59.

10.Емельянов Л.8. , Еремин А.В. Обобщенные эмпирические закономерности динамик* стартовых разрывов при запуске нвдорасииренных струй: // ПЙТ«. 1991. N. S. с. 22-26.

11. Bazhenova T.V., Golub V.V., Emelyanov A.V., Bremin A.V., Shulmeister A.M., Miloradov O.D. and Ziborov V.S. Influence ol nonequilibrium processes on gasdynamic parameters оi nonstationa-ry supersonic jets. In the booktDimamic aspects ol explosion phenomena. Progress in astronautics and aeronautics, AIAA, 1993, vol. 154, p.532-538.

12. Баженова Т. В., Емельянов А. В. . Ероивн А. В., Пуиова В. В. Рекокбянационноа излучение перехода (4p-4eJ Аг <А=852ии) в неравновесно-ионизованной струе.// 1994. И. 3.

ЛЙТЕРАТУГА.

1.Чекнарев С. // ПМТ*. 1973. N.2, с. 70-78.

2. Еремин А. В.. Кочнев В. А.. Куликовский А. А., Набоко И. И. // ПНТФ. 1978, N.1. С. 34-40.

3.Новопашин С. А., Переполняй А. Л. // Препринт К 173, Институт Теплофизики Сиб. Отд. АН СССР, 1988г, 13с.

4. Волазин В. А. Голуб В. В., Набоко К.Н., Опара Д.Н. // ПИТФ, 1973, N.5, с. 34-40.

5. Виткин Э. И., Еремин А. В., Зяборов В. С., Кпрвллов А. А.. Перель-иаи Л. Т. // Пропрннт N S70, Институт «изакя Бел. АН, 1989, 84с.

А.В.Емельянов

НЕРАВНОВЕСНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ И РБКОМВИНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НЕДОРАСШРВВНОЯ СТРУИ

Автореферат

Подписано к печати 16.05.94 Формат 60x04/16

Печать офсетная Уч.изд.л.1,5 Усл.печ.л. 1,39

Заказ № 227 _ Тираж 100 экз. Бесплатно

АП "Шанс".127412,Москва,Нжорская ул.,13/19 23