Теоретическое исследование кинетики и структуры интенсивно излучающих ударных волн в инертных газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ъ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

УДК 533.951:533.6.011 На правах руколис*

ФИЛИМОНОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И СТРУКТУРЬ ИНТЕНСИВНО ИЗЛУЧАПЙЩХ УДАРНЫХ БОЛН 3 ИНЕРТНЫХ ГАЗЙЛ

Специальность 01.04. 08. - физика у химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискалие ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1992

Работа выполкена а Институте высоких температур РАН

Научный руководитель;

кандидат физике-катехатнчесрих наук, старшиИ научный сотрудник

официальные оппоненты:

Железняк Н.5.

доктор физике-магенатическях наук, проффесор

доктор фхэико-катвм&ткческих наук Ведущая организация

Осипов А. И.,

Руткевкч И. И.

Институт ХВНКЧвСкив физика РАК

.Д. сиом я~/0,

защита состоится ""'" — "" "» в ' ^ часов

на заседании Специализированного совета К 002.63.01 при Институте высоких температур РАН по адресу: 127411 Москва, ул. Ижорская, 13/10.

диссертацией можно ознакомится в библиотеке института высоких температур.

Автореферат разослан

и,С(лСУ 1092

года.

Ученый секретарь

Спмиапиз храненного совета К 002.'53, 01

а. ф. - и. и.

Кунавхн А. Т.

I Науимое объединение "ЧВГАй" Российской академии наук, 1992 г.

\

i i

'.ö/! I ОЩЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^¿кхнальность работы. В у.-!орегичиских к эксперименгалы<их нсслодо заниях ранее был:! определены основные процессы, влияющие на кинетику ионизации и струкгуру ударных волн (УВ). Последующее разпнтио техники эксперимента я методов исследования позволило выявить новые эффекты, сопровождающие распространение УВ в ударных трубах.

Б УВ в инертных газах м воздухе со скоростями 5+80 к м/с и начальным давлением перед фронтон 50+750 Topp при измерения радиационных характеристик фронта было обнаружено экранирование излучения равновесной зоны. Известно, что излучательные свойства УВ зависят от паранзтров плазмы в равновесной, релаксационной я прекурсорной областях. Для указанных условий расчет радиационных характеристик УВ проводился в равновесной приближении без учета роли релаксационной зоны. В связи с этик возникает задача определения оптических свойств УВ с учетом совместного влияния асах трек характерных областой структуры УВ. При этом необходимо приникать во анинаияе' то обстоятельство, что за фронтон УВ образуется неравновесная многозарядная плазма с температурой (4+10)•10* К и давлением (3+10) кбар. Описание такой плазмы должно включать эффекты нэидеальности. Кроне того, для решения уравнение переноса излучения длн неоднородной среды наобходино знать локальные радиационные характеристики в неравновесных условиях.

Исследования менее интенсивных УВ со скоростями 3+7 км/с (числа Маха 10+20) « начальном давления- - 10 Topp показали, что при некоторых параметрах УВ нарушается стационарность и однонер-нбеть таявших зз фронтом. В ряде работ высказывалось предположение 6 '4ри, что э^о сЬязамо' с нарушением уйтЪПчИвости фронта УВ. Tbapjjij, ^снованная* иг традиционно рассматриваемых процессах, предсказывает " устойчивость УЙ прл naptfrttftpax, где набяпдалось ¡(ipyneuae структуры фронта, существуют гипотезы относительно BpÄsWl возникновения .неустойчивости, которые, однако, не Получила -дае$а?.ачлрго теоретического я экспаряняитального подтверядония. На оснйэныа положения, отнотпн, что э imsc рассматривались лишь объемные" -процессы, так как экспериментальные исследования проводятся на ударкых'трубах, то влияние стопок я прилогыяаого и ник возмущенного газа яекпвчпть нельзя.

Поэтому. прежде чем перейти к рассмотрению устойчивости ьзкачалькс плоской УВ относительно воздействии бесконечно калых яазнушвиий необходлно убедиться, что нет возмущающих факторов конечной амплитуда. Было заке'-?ено, что нзустойчявость УВ возникает при наличии заметной ионизации ударно нагретого газа. В этих условиях энергетический баланс газа эа УВ и а прекурсорной зоне в значительной мере определяется радиационных переносом. Возмущающей воздействие ножег оказать опережающей излучение, которое прогревает станки и прилегающий к ним газ. 3 связи с этим есзнккаег задача о распространении УВ по стратифицированному газу. Цель работы.

> Исследовать ударные волны и аргоне сс скоростями 10+25 км/с чри начальном давлении 300+750 Topp:

а) описать кинетику ионизации неравновесной многозаряцной не идеальной гшазкы за фронтом УВ;

б) определить влияние релаксационной и прекурсорной областей на радиационные характеристики фронта ув.

Z.Исследовать влияние молекулярных коиив на кинетику столкнови-тельиой ионизации за фронтом УВ а аргоне. .

■J Длг УВ в Ar и Хе со скоростями 3+7 км/с к начальном давлении 1С Горр определить влияние прогрева газа вблизи стенок ударной грубь: опережающим излучением i<a структуру течения и ионизацию за фронтом УВ.

А.Найти области параметров существования плоского фронта УВ в Ar и Хе, невозмущенного действием опережающеги излучения. Научная новизна работы.

J. Для УВ, распространяющихся со скоростью 10+23 км/с в Ar при давлении газа перед фронтом ЗС0+760 Topp рассчитан состав плазны к зоне релаксации с учетом неидеальностк и найдены коэффициенты поглощения ионов Ar в неравновесной плазме за фронтом УВ. 2. Б прекурсорной области для УВ ô Ar полученц концентрация электронов, твкн.вр.атур.а газа и спектральные, потоки излучвнкя. 3 Показано, что в определении оптических хара^терлстик фррн®а УВ прк больших скоростях 3ГБ в плотыык газах влиплие релаксационной

юны наиболее cywecTçefwo в ИК к дальней УФ областях спектра. Пра-

*

курсорная область оказываем наибольшее влияние й"а изнуче1;ие в видимой и ближней УФ областях спектра Совместное действие

релаксационной зоны и прекурсорной области примерно на попило:« ослабляют излучение равновесного газа.

4.Рассмотрена кинетика ионизации за УВ п разреженном Аг при наличии возбуждения атоков и ассоциативной ионизации с возбужденных уровней. Учет этих процессов приводит к сокращению зони релаксация.

5. Предложен новый иеханигм влияния опережп«чего кэлуюгад на струкруру УВ. Показано, что г, грев стенок ударной трубы и прилегающего к ник газа оперекакщик излучением шлзмпнот поперечную стратификацию среды перед УВ и приводит к нарушение одномерности течения за фронтом. Следствием этого является уменьшение длины ионизации з пристенной области, что соответствует эксперименту

5. Па оснопо полученных величин протрем газа вблизи стенок трубы ь Аг к Хо установлены критические значения давлений газа перод фронтон и чисел Маха 1'В, переход через которые сопровождается радикальной перестройкой течения. Результаты согласуются с экспррянентсн.

Практическая церность. Был предложен катод расчета параметров и радиационных характеристик неравновесно» и кеидеапьной плазны г в фронтом ударно"; во/шы. Расчет спектральных потоков с учетом поглощения з релаксационной и прекурсорной областях показал, что эти области сильно ослабляют излучение равновесной зоны г. длинноволновой части спектра и части спектра, прккыкарщей к порогу фотокоиязацих. Это необходимо учитывать при диагностике плазмы УВ и создании на их основе иощиькс источников излучения.

При исследовании УП я лабораторных условиях влияние стенок ударной трубы к прилегавшего к ник газа а принципа исключить нельзя. Малый прогрев газа перед фронтон УВ вблизи стенок может прнпестч к значительной перестройке течения за фронтон. Получены области параметров ЗГВ, при' 5<огорых существует невоэнущенное течение за фронтон. Этк результаты покогазт ориоцткровчтьсн в выборе параметров при проведении экспериментов и определении методов расчета. *; , . .

Апробация* работы. ■■ Л*з'уг.ъ%лты диссертации дэкщдыаались на

''по. уОДМедк' .{СЩ; Цэтлёяеи, июяь

юзе Г. ), '-н&"Международячй;£ойфаре1ш;1гп по-явления»-в ¡тнизированны:: 'гваах {.'.Яуаляд. Меде.. '.даль, . 138_1а-); ли.' Лвадулародйон семинаре по ¿ЙПЫ'МК'. уяар?1ык- - 50ЯЙа«. .(.¡гпонй'я, Ч:(6а, изаль, 3.391г. ), на 7

всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазны (Ташкент, июль, 1987г.), на 4 Всесоюзной конференции «Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах» (Красновидово, декабрь, 1388г.), на 1 и 2 Координационных совещаниях «Вопросы физики и газодинамики ударных волн» ( Одесса, 1385г. , Ленинград, 1987г. ). на семинарах общества «Знание» Украины (Ужгород, 1989г. , Киев, 1990)-

Лубликации. ао гене диссертации опубликовано 11 работ, приведение в прилагаенок списке литературы.

Структура и о&ъен диссертации. Диссертационная работа состоит из Л-у глав, введения и заключения. В диссертациям приведено 35 рисунков. Список литературы содерн;ит 139 наименований.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ.

Во Vведении определяется круг вопросов, рассмотренных в работе обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется ц«ль работы.

Первая глава является литератургым обзором и в ней обсужда-•згея «иногические и радиационные аспекты в исследовании структуры УВ Б начале главы кратко перечислении способы получения УВ различной интенсивности. Далее описываются основные процессы в релаксационной зоне. Дается перечень работ, где рассматривалась цнократная и ивогократыая ионизация, приводятся сечения процессов ■л келеганти скорости лониэацки. Обращено внимание на то, что для ;>чеиё сильных УЕ в газах с начальным давлением - 1 атм за фронтом необходимо учитывать аффекты нокдеалыюсти. Приводятся известные -ведения о злкяккн ней деадыюсти на состав плазмы, коэффициенты скорости ионизации и спектральные оптические свойства. Как следует из литературных даиньш влияние пеидеальностн наиболее, заметно для г Я со скоростями 3+10 нх/с и р к начальном давлении - 10 ати. В диссертационной раб&г» исследовались УВ со. скоростями 10+.25 км/с. с начальник давиалиои ~ 1 -а?к, где -аффекты ка.вдэайьности «еаэв сыранены. Особенностью таких УС, наблюдаемой в экспериментах-, шшяется экраннроианяо излучения равновесного газа. Причвк взпич«№ ослабления суиестовнно зйв'иейт от длины волны. Обсуждаются эксперимертздыыо р&зуяьтат!.; для з из духи. и инертных газов, обращается внкнанг.е на то, что теоретический анализ яалонкй. сопутствующих рас1цюстраненкю УВ указанных параметров,

выполнен в равновесной приближении без учета зоны релаксации.

Для ув в разреженных инертных газах с числами Наха 10+20 прогрев перед фронтом невелик и главными становятся вопросы радиационного охлаждения и прекурсорной ионизации. Указанные процессы в настоящее время достаточно хорошо изучены. Они не приводят к нарушению одномерности течения газа во фронте УВ Однако, существует довольно много экспериментов, в которых наблюдалось нарушение стационарности и однонерности течения ударно нагретого газа. Были обнаружены следующие основные проявления нарушения структуры УВ: ускорение ионизации пблизи стенок ударной трубы, немонотонный спад интенсивности излучения в зона радиационного охлаждения, образование зон с различной яркостью фронта и т.д., о чем подробно изложено в данной главе. Некоторые авторы полагают, что эти нарушения вызваны неустойчивостью УВ к воздействию бесконечно малых возмущений. Приведено описание гипотез относительно причин возникновения неустойчивости. Здесь лишь отметим, что деструкция УВ происходит при параметрах, для которых теория. основанная на традиционно рассматриваемых процессах, предсказывает устойчивость. Далее обсуждается возмущающее влияние стенок на прилегающий к ной газ к возможное, в связи с этим, изменение структуры течения.

Глава вторая посвякена изучению УВ в Ar со скоростями 10+25 км/с и давлением газа перед фронтом 300+760 Topp. На основе решения ннтегро-дифференциальных уравнений, включающих уравнения газодинамики, кинетики многозарядной плазмы и переноса излучения, с учетом эффэктоя неидеальности в ■ релаксационной зоне определены спектральные потоки, выходящие с фронта в прекурсорную область. Эти результаты далее использовались для нахождения параметроь плазмы в прекурсорной области. Найдены радиационные характеристики УВ при совместной действий релаксационной и прекурсорной областей на излучение УВ.

В п. 2. 1. дается постановка з'ндачи. Рассматривается плоская стационарная УВ. Сразу за Фронтом наблюдается отрыв электронной температуры от атомной: То~(1+2)-104 К, Ta~(l+5)»10s К. Состояние газа описывается системой уравнений сохранения массы, импульса и энергия ч ки.:этят<оя нонизацкд, включающей в себя следующие основные процессы:

А+'А«-»А+А + е (1)

о О 1 о v '

А е t=> А + 2е 1, а =0+3 (2)

А + А А + А • (3)

а 1 и + i 1-1

где А^ -кон кратности и (нейтральным атомам соответствует m = О). Необходимые для вычисления констант скоростей процессов (2) температура электронов находится из энергетического баланса, включающего нагрев в упругих соударениях с ионами и потери на »онизаци». Поскольку плотность газа перед фронтом велика, то в указанном интервале скоростей радиационное охлаждение в общем энергетической балансе плазиы несущественно.

Перед фронтом -УВ излучение является причиной нагрева газа до гомператур Т - (1.5+2)'аВ. Как показывают оценки газ перед фронтон можно рассматривать в равновесном приближении к концентрации 2Локтро<1Сы определить пс уравнению Саха.

Плотность потока энергии излучения в релаксационной и пренур--sopHoS областях вычислялась в приближении неоднородного плоского слоя, облучаемогс со стороны равновесной зоны излучением абсолютно черного тела. Собственным излучением прогретого газа перед фронтон пренебрегалось.

Таким образом, решение задачи распадается на три этапа. Сначала находятся параметры плазмы за фронтом УВ без учета радиационных процессов с граничными условиями на фронте УВ. Далее по этик параметрам рассчитываются оптические свойства и поток излучения с фронта УВ. Затек находятся параметры газа перед фронтон, вносится поправка в граничные условия на скачке и вся проце-

•t

дура рроделызается заново для уточнения сформировавшейся структуры.

В п. г:2. обрущ^е'тся -кин&рика образования конов за, фронтон УВ. Квиетические процессы расскатривад}|сь'¿ .следующем приближении: возбуждонйа ояэктрряв в столкновениях*' на- резонансный уроааг.ь $ последующий rit^toвенным перёйдок' в крнтияуун. Приводятся -¡¡з-авоёше аз аяTapstypy сведанияд кокстактах^сксрос^ви ироцесс.яв. иатарае необходимы для расчета. Ласа оценка ' возможного влияния дишэрое аргона и пряной фотоцоцизацкй ко.коа на состав плазмы.

В п. 2.3! в соответствие с райатаии [9,-10] раасмотрены эффекты неидеальносгя в шюгсзаряднрЯ норавноиесной -плазме за фронтон УВ, где концентрация электронов п^ достигает (2+6) •Ю20см"?. Параметр

б

немдеальности 7 определялся через среднюю кратность лонсь

- г 1/3 - * *

Г ' zen. /КГ , тда z - £ mn / En, n - концентрация m-roi'o кона

o ..e m = 1 mn'ln « .

В рассматриваемых условиях1 г О. S н при температурах, реализуемте за фзоктом, плазма является невырожденной. Для ионной компоненты неидеалЬносЛ мала s большей части зоны релаксации, т к. Т » Т^.

Для описоЧ*я" такс Я плазмы использовалось кольцевое приближенно дебаевской теории большом каноническом ансамбле Влияние нэчдэалымстк на давление, энтальпию и снижение потенциала ионизации ' ионов учитывается n виде поправок на кулонодское взаимодействие. Поправки возрастают с ростом скорости УЗ.

Нейдеалытостъ влияет такио на скорость обмена энергией между злектрояаия и нонами: - -î. Sn^kfT^-T^)/т, где г - время обмена, обратно пропорциональное величине *" кулоновского логарифма. Вид кулоиовско'го " логарифма Еыбирался в 'зависимости от степени ниивзалйпости, меняющейся вдоль ролаксе-'ионной зоны.

Д4лее обсуждается вопрос влияния неидеальности на константы скорости ионизации. По ряду причин константу ионизации ложно E3KÏ: такой же, как для.идеального газа, полученной в бинарном прибляяш нпк. Крнстапта равновесия вычисляется с учетом снижения потекштлг понсзация. На. рис. 1 приведен расчет состава плазмы за фронтом УВ.

НепДеапЬность элияет пэ только на состав плазмы, но и на спектры-атокез-и ионов. Она проявляется s сдоите порога фотоиони-зяции, 'тто сказывается на коэффициенте поглощения компонент плазмы.

<. •. % ; рассматриваются радиационные характеристики плазмы, в газах они определяются, главны* образом, поглощением в

--юктрьлышх линиях к континуум». В плотной горячей плазме возможно поглощение димерамк аргона.

Ч я. 2. 4. 1. определены оптнчоские СБййетва плазмы в /.'Прерывной спектре. Отсутс'»вио равновесия по составу а релакса-чишшой зоне, а. следовательно, и нарушение равновесного заселения ■•::• возбужденный уровням, приводят к значительным вычислительным грудностни прл определении радиационных характеристик плазмы. Был лрадложон следующий приближенный способ расчета непрерывного ~|.«:<тра иаравновасного ионизованного газа, изложенный в [3,5].

В спектра поглощения йгока или коков аргона можно выделить яое характернее области. Первая из них соответствует частотам,

У 9 рЬ . , рК

нвнылип гранично» ч^стстг V , где и - V - Ду (у - частота

Си ш ' т ю

порога фотсионизации атома или иона, - сдвиг порога) Основной

чклаг а излучение при у И вносят свободна-свободные к свободно-связанные- переходы. В этой области спектра сечения пиглощония определяются переходами с уровне»«. прнньжаюиих к мопроривноиу спектру м находящихся с ним е равновесии при /¡скальных значениях л и Т . Высокоониргетическая область спектра ' - I'9 обязана фотоионизаиин низколежащих уровней атомои и ионов; ь-ч^ния в огон области практически не зависят от п и температуры. Тогда коэффициенты поглощения г.-и компоненты определяют-

следующим образом:

я„ ' 11 п < <4>

£•>,« в в* 1 т

к - ПО-'2' V г Vя (5)

У,ю о У.в т

'г) (г*

.эченжя к к а у п ккеют различную ра.зиор.ность и рассчитываются пс, параметрам равновесной плазмы. , В равновесии выражения (4) и (5) полностью ок0ИЕапеЯ'К(&>1 веек v. Однако, с зоне релаксации

лряеоденкыв вырт^енкп позволяет учесть- отсутствие равновесия по составу в неравновесной характер за^аон»я.<%озбуждвиных'со.стод^нй. Полный коэффициент поглощения находится -суммированием по веек чомпонентак с учетом вынужденного испускания. Излучательная способность компонент плазны определяется процессами с участием -лектронов и возбуждешадх состояний атомов и ионов и поэтому при .-сех V она рассчитывается по формуле:

с - В (Т )п п о-'1' (С)

I",« 1> 1 е' в л» 1 1\»

где В^ - янтенсивкость.излучения абсолютно черного тела

Этот метод т требует трудоёмких вычислений, связанных с нахождвниом вкладов отдельных .уровней. „Дзлр.е величины к я и с^ использовались для расчета спектральных потоков излучения.

В п. 2.4. 2. обсуждаятся поглощение хзлучопия в линиях. Для расчета была принята известная . из литературы спектральная методика, основанная на обобщенной статистической модели полосы. Точность такого приближения оценивается как 307.. При вычислении поглотательных способностей неоднородных слоев газа статистическая недель раСсаатривалась• совместно с приближением Кортисэ-Годсона Поглощение излучения линиями учитывалось в прекурсорной области,

Р п.2. 4.3. по известному из литературы методу расчета на основе потенциальных кривых определяется коэффициент поглощения излучения динерами аргона.

В п. 2. 3. приведем расчеты спектральных потоков излучения в релаксационной зоне на основе изложенных а предыдущих параграфах принципах определения параметров плазмы. Результаты расчетов представлены " в работах [2-^5,3,10]. В качаствя примера на пис. ? даны зависимости Б (х) от координаты за фронтом УС.

потоков излучения. ut » 11.6 км/с, - 300 Topp. 1 - v*5000 си"1, 2 ' ISÖC.O CM1, 3 -80000 см"1, 4 - 1ЮООО см"1, 5 - 130000 см"1, 6 - 1SOOOO см"'

Следует отметить три характерных спектральных интервала. При V < длина свободного пробега фотонов кмного больше длины релаксации - 2. 5-Ю"3 см. В этом случае

неравновесная аона прозрачна для излучении и S^tx) набирается в глубине равновесного газа (кривая 3 на рис.2); В этом диапазона частот яркостная температура Tbp, определяемая по S^, равна Т , Т - равновесная температура за фронтон УВ. В инфракрасной и видимой областях спектра при v < 3. >ю4 ск"1 k~L> i и S^(x) формируется в неравновесной зоне ( кривые 1,2 на рис.2). Поскольку п^ при приблкжзьни к фронту уменьшается, то ки с^ также падают и Sv(x) выходит на постоянное значение, которое при х 0 соответствует ТЬг < Т^ . При V £ i/j к^ определяется только концентрацией тяжелых частиц (5), а с^ , кроме того, зависит от н^. В этих условиях S^(x). как и ранее, набирается в области максимальных значений п^ (кривые 5,6 рис.2), т. е. в конце зоны релаксации и равновесном газе. В отличии от предыдущих результатов S^(x) посла Достижения максимальных значений спадает по мере приближения к фронту, что являотся следствием поглощения излучения атомами неравновесной зоны при практически неизменном к^. В этом случае Т также нюньте Т .

Ъ- eq

В этом «в параграфе приведены примеры расчетов спектральных потоков для разных скоростей УВ. Из них следует, что релаксационная зона оптически плотная в ИК и дальних УФ областях спектра. С ростом скорости УВ она становится оптически плотной и в интервале частот видимого участка спектра. Влияние релаксационной зоны растот с увеличением начального давления газа.

В результате совместного действия равновесной и релаксационной областей на фронте формируется спектральный поток S^(Q), распрэделение которого по частотам; ворбщо говоря, не являете^ планковскик. Интегральный пот.о'к "изл'учециа, выходящий из релаксационной зоны в npeiyrpcopKyi»' обпасть,- Сможет уменьшиться. до SOS от волвчины потокк" равновесной .зоны.

В п. 2. 6. рассмотрено влияние ояеро^аюдего излучения nit¡i УВ со скоростями ut > 15 úh/c и ps «" 760. Topp, где заметно .прояи-ляется экранирование излучения. Результаты представлены в докладе (11].

Если известен поток излучения на скачке уплотнения, можно рассчитать параметры газа • перед фронтом и на основе этого

определить радиационные характеристики всей систолы. включающей ударно сжатый газ и прекурсорную область.

Задача рассмотрена п одномерной постановка. Состояние газа описывалось системой уравнений сохранения пассы. импульса v энергии. Источником нагрева служит поглощенный поток излучении За счет этого на значительном расстоянии пэред УВ газ может сильно прогреваться (Т- ( 1+2) • 104К). Как показывают оценки, » этих условиях можно воспользоваться приближением локального равновесия. 3 качестве граничного условия для уравнения анергии задавался иток излучения S из области ударно нагретого газа. Величина этого ютока находилась из следующих, соображений. Излучение с частотой Л превышающее порог прямой фотоионизации у9, поглощается а узком :лое Sx - 10"J сн перед скачкок уплотнения и не оказывает влияния ла параметры газа з более дальней пракурсорной области. В связи с этим в качества граничного условия принимался поток излучения из Равновесной зоны, ослабленный в релаксационной зоне и области 1рямой фотоионизации. Степень ослабления оказывается значительной л S/S -О. 2 для и - 25 км/с и - О. 4 для ц » 19 км/с.

«q 1 1

В прекурсорноа области учитывалось поглощение в линиях я непрерывной спектре. Наиболее сильные линии расположены а коротковолновой части спектра (и г аоооосм"1), на .которую триходится -60Х тнергии излучения S. Нагретый газ при :толкновениях ионизуется и начинает поглощать длинноволновое '.злученмо v s 30000 см"1. В этой области спектра велико поглощение ; континууме. Оно определялось по формула» Бибермана-Нормана.

Кроме того, на поглощение излучения могут оказать плияние докеры аргона. Сделаны оценки коэффициента поглощения, определен-юго в п. д. 4. 3. Показано, что на расстояниях от фронта в'несколько :антикэтров вклад димерои в суммарный коэффициент поглощения кал, , 3 результата, расчетов. псзл.учелы профили температуры газа :ïétïoi!;t кош!зацкк г.орэд-фронтом УВ, а также профили сдектральшх юток'ов' « яр«а<гкй1,|'^йпефатуры. s релаксацигшнрй я пре^урсорной «бластях.. На.ри£, 3 ^на." яркссетщ'л. гекпература. ïbr> соответствующая !$аличиыи расстойрияко зг - о, 0.3, 2.5 см. .На агом рисунка можно :ылс^Гять две обДасГи-поглощения - высоких (линии) а низких { мди-тя а И1С"' области) частот.

LTkti эЬ

о см

Х= 0.5 см

X =• 2.5" сн

Л-** \>, 10*1 Ос<

Ряс. 3. Зависимость Т от частоты на иазличных расстояниях

Ьг ■ -

от фронта УВ" и^ • 25 км/с,' = 760 Topp В третьей гпаве обсуждается роль молекулярных ионов к опережающего излучения в кинетике ионизации и формировании пространственной структуры ударной волны з разреженных газах.

В п. 3.1. рассматривается кинетика ионизации за ударными волнанк с аргоне, включающая возбух:дение атомов и ассоциативную ионизацию с возбужденных уровней. Полученные результаты представлены в работе [1]. Указанные процессы могут играть заметную роль в релаксационной зоне.

Кинеткка ионизации включает следующие процессы:

1)

3) А

'+ А

2) А('Ч е

» <' ♦ 1 I j А . + е,

+ е А1 1 Ч А. i=2*4 ir"1

4) А + 2А

А..+ А

(7)

Здасъ верхний индекс обозначает номер эффективного возбуждьнного уровня. В расчетах использовались 5 эффективных уровней, полученных объединением нэскольккх близких по энергия^ атомных уровней. Полагается, что уровень с 1-5 находится в равновесии с непрерывным спсктром.

Сустека уравнений, оппсывакщая течонке релакснруюздего гага за УН, состоит яз законов сохравенил массы, импульса к энергий, а также уравнений для температуры Т и концентрации электронов п .

1'равнзнке для энергии электронов включает нагрев электронов лр» упругих соудареннкх с атонами и ионами, потери эноргик п>. и ¡шупругкх соударениях на яозбуждонио а ионизацию, дополнительны.; нагрев электронов, возникающими при ассоциативной ионизац^л (полагается, что поз пикавший в ассоциативной ионизации электрон имеет энергию -Т ). Как по к а зй в ii'of оценки уравнения, описыпаюши«-. чонцеитрацли иолеиуляр:а-!:г .юнец и возбужденных аюнов, кэаз'йста-ционарны. В этом случ^о этл уравнения сводятся н. алгебраи'мскям у равнениям, предсатавлшоиие собой балансные соотношение дл" указанных компонент.

Были проведены расчеты параметров плазмы оа фронтом Y3 Кон-центраЦня ионов Аг* и возбужденных агомов на i-2 ведут себя монотонно в зонг релаксации и их максимально!? значение достигает!л в раановаснной зона. Расчеты проводились с константой возбуждения К^ , соответствующей на клану сечег.пя возбуждения и пороге S • 10"19см2-эв"1. Пра этом получено согласие расчетов и ок'сперикентсв (Glass, Liu, 197В) для 2!» 15. 9 « М-13, з то время как заторам указанно« работы причлось для получения такого согласия при !'.-1:-увеличить 3* в 2 раза.

ал

Для проверки используемы:: нодалей возбуждения и ионкзаци:; атоков проведано сопосгаплоние к с другими экспериментами, Расчетные и экспериментальные результаты свидетельствуют о y.dnaii заселенности наиболее энергоемких (i=2> уровней аргона к едаа л.1 можно ожидать существенного накоплении эиаргии на болео аысоких уровнях атоков и ионов. Поэтому нарушение структуры УР можно рассматривать в рамках традиционного набора процессов

В п. 3.2. обсуждается элияние нагрева стенок ударной грубы •прилегающего к нян геза опережающим излучением на структуру течения и ионизацию за фронтом УБ.

Наблюдаемое в экспериментах разрушение ударных золя слож.чо-г аэланвв и коиат спродашгетьсй совместным действиеп различных факторов. В качество одного из них в данном разделе рассмотрен нагреа газа около стенок ударной труби при умеренных скоростл* ( М < 20 }. Этот кагвриая изложен а работах £6-8]

В п. 3. 2. 1. дается постановка задачи Рассмотрим плоскую /а распространяющуюся с постоянной скоростью и. в ударной труб*> . неподвижному газу при тэмпературэ Т^ЗОО" К ч давлении о

Topp. Изкененмэ состояния газа перед фронтон УВ происходит только зр счет действия опережающего излучения. Как показывают оценки, соль объемных процессов в иагрэве газа перёд УВ несущественна. В этои случае становятся иадны процессы в пристенной области. Излучение УВ достигает стопок ударней трубы и поглощается ими в процессе многократных отражений от стенок. Связанное t этин повышение температуры стенок приводит к прогреву прилегающих к ник слоев газа. В это же время от области прогрева распространяется гидродинамическая волна, выравнивающая давление газа. В, результате совместного действия указанных процессов перед фронтом УВ создается тонкий прогретый пристенный слой с пониженной плотностью.

Лалее рассмотрено взаимодействие УВ с прогретым слоем. В общем случае такая задача требует совмесгнрго решения уравнений гидро^ккаиики и кинетики ионизации. Она является достаточно сложной и поэтому решалась приближенно в дгза этапа. На первом этапе, поскольку величина прогрева не велика, можно воспользоваться стационарной теорией в.оз-мущений для решения двухмерных уравнений гидродинамики без учета кинетики. На втором зтайе расчет сводится к решению уравнений баланса энергии и кинетлки ионизации вдоль линий тока на заданных полях скорости и плотности.

3 3.2.2. определяется нагрев стенок ударной трубы опережающим излучением. Поскольку толщины прогрева калы, то задача решается в одномерной постановке для полубесконочной среды. Используется нестационарное уравнение теплопроводности. Необходимые для решения уравнения параметры материала стекок - коэффициенг тепнопрводности и теплоемкость, была взяты из справочников. Полагалось, что в начальной иоиент времени стенка имела температуру окружающей среды. Граничные условия соответствовала заданий плотности поглощенного стенкой радиационного потока qi|(x, t) ( х-координата перед фронтом УВ, отсчитываемая от вязкого скачка уплотяэкия}, который находился из следующих соображений.

Е структура УВ учитывалось наличие релаксационной к равновесной' областей. Релаксационная зона прозрачна для излучения и сама не светит. Плотдость :В!Р'гока. из равновесной зоны qE - со-г4^ определяется тскпера.'турой 1рз»новеЬного гйза г и стояеныо черноты пробки ударно нагретого газа с. ПЬппый поток в каждой саченки трубы 6 - qeFt(x) зависят от функции-ослабления т(Х)., {F-плоиадь

поперечного сечения). Величина т(х) приведена в литературе и при ее расчете учитывалось многократное отражение ог стенок. Тогда, исходя из • закона сохранения энергии для элементарного объема трубы, получим (^(х,^ = д^/П-ат (х)/с!х, где П - периметр .поперечного сечения трубы. В результате была найдена температура стенки как функция координаты х и времени существования УВ. Нагрев ДТ^ а расскатриваенык условий перед фронтом УВ не превышает 100°

В п. 3.2.3. было получено поле температуры в пристенном слое газа. Как указывалось выше, стенки ударной трубы нагреваются за счет поглощения излучения, что приводит также к нагреву пристенного слоя газа. Оценки показали, что прогрев происходит в изобарических условиях. Тогда, как и в предыдущем разделе, задача решалась в одномерной постановке для полубесконечного пространства.

Задача о прогреве пристенного слоя сводится к известной задаче о нагреве газа, находящегося в тепловом контакте с пластиной, температура которой-в зависимости от времени изменяется по известному закону. Исходя из этого было получено распределение температуры в пристенном слое газа ЛТ . Оно имеет вид монотонно спадающей функции с хаксимунои на стонке. 3 изобарических условиях это приводит к.понижению плотности в пристенном слое газа. Толщина прогретого слоя 5 по порядку величины равна О. 1 см.

.В п. 3.2. 4. о^едвляется попе течения за фронтом слабо искривленное УВ. Как указывалось, излучающая ударная волна, распространяясь по ударной трубе, создает прогрев пристенного слоя газа, приводя к поперечной стратификации среды. Известно, что при взаимодействии плоской УВ с прогретым пристенным слоем реализуется (в зависимости от , величин ЛТ- и К) два режима течения:

.... . . . ■ ^ д. . .

нестационарное, с рбразоааниэк Л-конфй^рации, и стационарное, со :лабим искривлением УЗ. . Поскольку '.прогрей газа невелик, С -УГ;/Т,е,Ц .то далеЪ йудон, рйиГр?катр.!1врТь'. только стационарный режим, сроке тЪго,. показатель " адиабаты^"? доливался постоянным, поскольку ¡а УВ' новм^щокае точоний 'сосредоточены в области между вязкхм :1Лч1(ои и фронтон накиааця!!. " таз.'"Слабо ионизован (г в 3/3). Гогда можно воспользоваться ре^льтагаки работы (Эг1££ 1956), ) которой'на. основе теории ваз(*у«ен*Я было получено решение полной :истемы газодинанцчекнх уравнений Эйлера в-приближеиии постоянного юказатолл адиабаты у- Выла проведбна линеаризация этих уравнений.

Линеаризованная система уравнений сводится к уравнению Лапласа с соответствующими граничными условиями на стенке, на фронте и на бесконечности. Решая его, получим поправки к давлению р', плотности р' в продольной составляющей скорости и', отнесенные к невозмущенным величинам за фронтом УВ. На рис. 4 показана зависимость и' от расстояния за фронтон на разных удалениях у от стенки.

Структура выражений для р'( р', и' такова, что при удалении от фронта (х -> -ю) р' о, а р' к и' выходят на постоянное значение. Поскольку везде р' < О, то (Зр'/йх > о и движение газа осуществляется' в условиях противодавления (и' < О). Таким образом, в прогретой области скорость газа наньше, чем в невозмущоннон ядре потока к выравнивание давлзния на бесконечности происходит за счет повышения тенпературы, вызванной торможением газа.

Рис. 4. Зависимость и'/с от. х/5 и у/6 В рамках этого же приближения определены линии тока и кривизна фронта УВ. Оказалось, что при ДТ /Т « 1 линии тока в

м 1

линэйкок приближением параллельны стенки, а фронт плоский^

В п. 3.2. Б. рассмотрена кинетика ионизации в возмущенной области. Расчет сводился к решению уравнений кинетики ионизации за УВ на заданных полях скорости и плотности. Ионизация описывалась традиционными процессами при' атомных я электрон-атомных соударениях с учетом отрыва тенпературы электронов от температуры тяжелых частиц. Результаты расчета степени ¡ионизации а даны на

рис.5 (сплошные линии), гдэ представлены изолинии а - const Поскольку используемая в данной работе теория возмущений развиги для новязкого течения, то расчетные кривые не проведены в области пограничного слоя. Тан жа штриховой Л5шией даны экспериментальные данные ( Glass, Liu, 1978). Имеется качественное согласие расчетных а экспериментальных результатов. Таким образом, наблюдаемое приближение фронта ионизации к вязкому скачку уплотнения обусловлено уменьшением скорости движения газа в возмущенной области. Поскольку прк этом скорости физико-химических процессов практически не меняются, то вблизи стеной длина релаксационной зоны сокращается.

В п. 3.2.6. опроделокы границы существования стационарной

стру^фуры УЗ. В параграфе 3. 2.4 отмечалось, что в зависимости от

величины зозиуще.йи«'.газа пере>, Фсонт'эн-возможны два р&жкка течения

»а' УВ: йтацаойар'дай к лее?ациОнггрщый. Сог^нсло критерию Уаганова -

к^м^врр;;.!! содействует продельное относя?вдьное возмущение

мвтиосви .р*-,.' . УВ, рдэгрйиич¡[.ва^деа уч&занныо- реиимы. Если

■ * * ■.11л '' ' ■ ■. * ■ ^ * •» • «

изв.пс1иЬ «аксии^яьно а од можно в -воз-муцвкао за счет прогрева

газа' около станок, то точаизо сЛц-ионарло при р' < (>[,, к

, . Хвак 11»л

ноствцранзрно при ^ 0 псслйднск случае вслэдстгмя

эбразованвя'Х- конфигурации и возникновения за УВ вихря происходит :учественное яенрнвлонке фронта УБ. Ееличина р' зэеяскт от

уровня радиационного потока из равновесной зоны и, следовательно.

является функцией р. и М. приравнивая р' и р' , получим

1 1Г1ЭХ 1 11 ш

соотношение, связывающее критические значения р1 и И, переход через которые сопровождается изменением режима течения:

С8)

Возмущение плотности р' однозначно связано с возмущением температуры . Определяемая уравнением (8) граничная кривая

р^ (М) делит координатную плоскость р-М на две области. Режимы распространения УВ, попадающие в область с большими М, характеризуются значительным прогревом газа и полной деструкцией УВ. В другой области с малыми М искажение' вязкого скачка не происходит.

Граничные кривые построены для Аг и Хе для разных диаметров ударной трубы. Положение грЪничкоЯ кривой определяется •также шириной релаксационной зоны и оптическими свойствами стенок. На рис. 6 приведены граничные кривые- дая Аг. Светлыми' и темными значками, соответственно, обозначены режимы точения без нарушения н с нарушением структуры вязкого скачка.' Экспериментальные данные согласуются с результатами расчетов.

4 Р«,ТоРР

10--

-50®

10 -12. 14 . 16 IS 11

Риг:. 6. Граничите крхдыг. для Аг. 1-D-A5 см, А-данные (Glass,

Liu, 1D7S); 2-D=4 сн, о-даШ}ыо .(Hewing et ai, 1986) Отсюда ношю сделать .вывод, что.одной мз: причин перестройки ару 1<:туры является Егенкс.де}Чствя.о УВ с'прогретый-слоем.

' з Аддамеииа., В дкссортйаии_. п.&яуЧ^вы. сявтщаЩа eckfesjiwe"

1. Исследована. кляЕткка >;йогдкр~атш;£ ' н&к'хэацви - за .УВ, рагпрострьнякцвйся са скиросхьп ' 1U+2S'ки/с о Ах при давления ivi3&

IE

перед фронтон 300-7G0 Topp. Предложен способ киье-ис-

монмзацжк я рассчитан состав неидеально!; двухтоипер-т> р--он шв. ни

2. Язложвн приближенный способ представлении ел поглощения и излучательной способности в неравно--.tl-'o? г.г.п-.-»-.. Пспучатад профиля спектральных потоков излучения ь р^ла^сш!««....w ■ зоне. Показано, что в ИК м дальних УФ областях релаксаиионь'п» ■><-■-• оптически плотная. Вследствие этого кнтегролькый r'i-..ь опережающего фронт излучония уменьшается ко 504 стноситс.г.ън' потока из равновесной зоны.

3. Получены профили концентраций электронов v. -випера! vpv »• прекурсорной области. Характер изменения этих величин определяе-,-с поглощением излучения спектральными линиями атома и континууме«

Вычислены потоки излучения; которое на расстояниях ч неског-L ко сантиметров может составить - 10% ог излучения равновесной зоны. Такик образок, совместное действие релаксационной п арекур сорной областей велико для больших скоростей УВ в плотных газах.

4. Для разреженных газов исследовано влияние ассоциативно* ионизации на кинетику заселения возбужденных состояний. Учет ото-о процесса увеличивает скорость образовании электрсног и гокращас-зону релаксации. Расчеты свидетельствуют о малой заселенное;»' наиболее энергоемких уровней Ar.

5. Было показано, что на структуру УВ, распространяющейся (с ударной трубе, оказывает влияние небольшой (-100прогреь опережающим излучением газа вблизи стенок перед фронтом УВ. В згом случае УВ распространяется по стратифицированной среде при указанной величине прогрева вознущение в зекч релаксации сосредоточено только вблизи стенок, а фронт УВ остается плоски* Это приводит к приближенна в возмущенной области ионизацвонког; фронта к вязкому скачку уплотнения, что является с.легствиеч уменьшения скорости движении газа при неизненности скоростеч фнзкко-зеимичоеккх процессов.

6. Па- основа получениях фу нкц и о нал ь них зависимостей iporpesj газа пород фронтоь от начального давления и чисел .Маха найдя», крятччаскао значения указанных параметров, переход через ^о-орке сопровождается радикальной перестройкой течения.

Публикация результатов. Содержание диссертации нашли лражинт. н еладующпх работах:

i Железняк Н.Б., Филимонова Е.Л. Влияние ассоциативной ионизации на релаксацию за фронток сильных ударных волн. б аргоне// "ВТ, isae, т.гс, не, с. 1203-1203.

2. Железняк К. Б., Мнацакгнян А. X., Филимонова Е. А. Расчет яркост-иой температуры фронта сильных ударных волн в аргоне//Тезксы 7 Всесоюзной конференции по нкзнотенпературнай плазме, Ташкент, 1987, С. 275-27Б.

3. Железняк U.S., йнацаканян Л.X. . Первухин С. В., Окланонова Е. А. Структура релаксационной зоны интенсивно излучающих ударных волн// Препринт N2-24В, К. , КВТАК, 1988, 2GC.

4. Железняк М. Б. , Филкноновь Е. л. Влияние неравновесной зоны на излучение ударных волн в аргоне// 4 Всесоюзная конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах". Тезисы докладов, Храсиовидово, 1SB8, С.Э7-9&.

с Железняк И. Б. , Филнколова Е.Л. Приближенный катод расчете, хзлу'. ния сильных ударных волн в аргоне//ТВТ, 1089, т. 27, с. 175-177.

5. Mnatsakanian A.Kh., Pasternak V.E., PhyHsionova E.A., Zhelezniak И. В. Enhancement of ionization behind strong shock waves in argon near the shock tube walls. Proc. of the 17th International Symposium on Shock Waves and Shock Tubes. Bethlehec,, US. 1989, p. 390-395,.

7. Железняк К. Б. , Ннацаканян Л. I , Пастернак В.Е. , Филкконова Е.Л. Перестройка течение к ускорение ионизации вблизи стенок ударной трубы при распространении сильных ударных волк в инертных газах// Препринт N2-270, И.. ИВТЛН, 19В9, 32с.

S. Желез,.як И. Б. , Ннацаканяк Л.Х. , Пастернак В. Е.. «илнмхнюва Е, А. Злгянхе опережавшего изпучеййи; на структуру течения к Кйккзацкю аа фроигок ударных волн в ина^т^мх .гfoex// МЯГ, 19В, 1, КЗ. с, lEJ.-* 1J31.

9. Zheleznibk И.В., fb^liaoriova E.A. Coraposition and r^iafclvo-properties of nonitfaal nanpquHhriim. ¡¿Яазжа behind ор&эп^- -shock wave in Ar// ICPJG XX, contributed Papars, Italy. 1991.

10. «кпкмонова E. A. EnmHHjIe кеидоальйастк № состав я ойтвЧескнЕ свойстве неравновесной пл$зкы за фронток сильных ударных-волн а А? // Физика пааэмьс, 1991, т. 17, .-вдо.-12, с, 1440-1445.

11. Itnatsakaiiyan A.Kh., Phyliraonoya Б.A., Zhelesn.lak И.В. Study til strong radiating shock: waves in inert gases//Proc. of the International Workshop on Stong Shock Waves, Japan, Chifoa, 1991.