ВВЕДЕНИЕ
5
Глава I. КРАТКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ИОНИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ....................................................9
Глава П. ОСОБЕННОСТИ ИОНИЗАЦИОННОЙ КИНЕТИКИ В АЭРОЗОЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К
ПЛАЗМЕННЫМ ЗАДАЧАМ В ПРИЗЕМНЫХ СЛОЯХ
АТМОСФЕРЫ................................................. 16
2.1 Равновесная ионизационно-химическая модель, учитывающая влияние мелкодисперсного аэрозоля через процесс термоэмиссии электронов................................................. 17
2.2 Образование мелкодисперсного аэрозоля в результате процесса конденсации в разогретой пылевой среде..................34
2.3 Общая структура равновесной методики расчета ионизационных характеристик среды с учетом образования аэрозоля в процессе конденсации..............................................38
2.4 Неравновесная кинетическая модель, описывающая характеристики среды с дисперсной фазой в присутствии ионизирующих излучений....................................................35
2.4.1. Влияние ионизирующих излучений на характеристики плазмы с дисперсной фазой..................................35
2.4.2. Постановка и решение неравновесной кинетической задачи.........................................................38
2.4.3. Анализ результатов расчетов и сравнение с экспериментом....................................................... 47
Глава Ш. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В АТМОСФЕРЕ.........................................58
3.1 Постановка задачи о нахождении функции распределения энергии электронов на основе решения уравнения Больцмана.......88
3.2 Методика расчета и результаты решения уравнения Больцмана для функции распределения энергии электронов................05
3.3 Распределение энергии по каналам неупругих процессов &
3.4 Влияние функции распределения энергии электронов на коэффициент поглощения радиоволн.................................77
Глава IV. ИОНИЗАЦИОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ......................... во
4.1 Расчет скоростей фотопроцессов и их роль в развитии возмущений в атмосфере...............................................^
4.2 Анализ ионизационно - химических процессов и постановка кинетической задачи............................................80
4.3 Расчет пространственно - временного распределения ионизационно-оптических характеристик в верхней атмосфере от мощного источника высокоэнергетичных электронов.....................№4
4.4 Оценка влияния продуктов сгорания ракетных двигателей на озоновый слой на основе разработанной методики................110
Глава V. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ В РЕЖИМЕ ВЗАИМОПРОНИКНОВЕНИЯ.........................
5.1 Анализ кинетических процессов при высоких относительных скоростях движения плазменных потоков.........................***
5.2 Постановка динамической задачи о взаимодействии сгустков плазмы..........................................................^
5.3 Взаимодействие двух разреженных сгустков лазерной плазмы............................................................
5.4 Разработка комплексного численного алгоритма расчета ионизационно - оптических и динамических характеристик применительно к задаче отражения плазменного сгустка от преграды, результаты моделирования, их анализ...................................*33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................*53
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
155
ВВЕДЕНИЕ.
актуальность темы исследований. В настоящее время изучение характери-тик плазмодинамических сред имеет важное фундаментальное и приклад-юе значение. Это связано с развитием плазменных технологий, с изучением юследствий воздействия разного рода возмущений на атмосферу, состав ко-орой может значительно изменяться при наличии частиц аэрозоля и при-утствии ионизирующих излучений (ИИ). Кроме того интенсивно разви-ается экспериментальное и теоретическое изучение динамических и кинети-[еских характеристик лазерной плазмы. Здесь наиболее интересным и труд-(ым для численного моделирования является исследование взаимодействия густков плазмы между собой и с преградой в режиме взаимопроникнове-(ия, условия которого сильно зависят от начальных характеристик сгуст-ов.
В этих научных направлениях создан ряд теоретических моделей, опи-ывающих характеристики плазменной среды, но практически все они не »бладают достаточной полнотой и универсальностью. Поэтому представ-:яется важным создание комплексных моделей, позволяющих получить ши-юкий спектр интересующих параметров, применение которых возможно в >азличных областях плазмодинамики. Применение этих моделей к ряду онкретных прикладных задач аэрозольной и ионосферной плазмы, высоко-емпературной плазмы, возникающей при взаимодействии высокоскорост-(ых плазменных сгустков между собой и с преградой, определяет актуаль-юсть данной работы.
1ель диссертационной работы заюпочалась в создании комплекса универ-альных численных методик, позволяющих определять ионизационно - оп-ические и динамические характеристики плазменных сред в широком диапазоне изменения начальных условий существования плазмы. И применения ;х к решению ряда актуальных прикладных задач.
Создана неравновесная ионизационно - химическая методика, описы-ающая характеристики среды с дисперсной фазой в присутствии ионизи-
- 6
ующих излучений (ИИ) и на ее основе рассчитаны характеристики призем-ых слоев возмущенной атмосферы.
Числено решена задача о нахождении функции распределения энергии лектронов (ФРЭЭ), на основе решения уравнения Больцмана при воз-.ействии на атмосферу потока высокоэнергетичных электронов и найдены онстанты скоростей многих неупругих процессов.
Проанализированы циклы химических процессов, рассчитаны кон-танты скоростей фотопроцессов, определена их роль в развитии разного ода возмущений в верхней атмосфере. На основании чего предложена уни-ерсальная комплексная модель расчета пространственно - временного рас-ределения ионизационно - оптических характеристик верхней атмосферы Ь= 15-250 км), возмущенной ионизирующим излучением. Методика оттести-ована на решении эволюционной задачи о формировании полного компо-ентного состава верхней атмосферы.
На основе анализа кинетических и динамических процессов, сопро-ождающих взаимодействие взаимопроникающих плазменных сгустков поучено численное решение задачи об отражении плазменного сгустка от реграды и определены динамические и кинетические характеристики сгуст-ов.
Іаучная новизна работы заключается в том, что разработаны и апробиро-аны комплексные численные методики расчета ионизационно - оптических динамических характеристик плазменных сред в широком диапазоне из-іенения начальных условий. В ходе теоретических исследований впервые олучен ряд результатов, расширяющих и углубляющих знания о свойствах характеристиках плазменных сред:
оценено влияние частиц дисперсной фазы на ионизационные характери-гики плазмы в присутствии ИИ;
уточнено распределение энергии электронов от мощного источника по ка-алам неупругих процессов на основе подробного расчета ФРЭЭ для Е<1
В, показано влияние функции распределения на коэффициент поглощения адиоволн;
получены пространственно - временные характеристики возмущенной и евозмущенной верхней атмосферы (11=15-250 км) в широком диапазоне избиения входных параметров с помощью единой универсальной модели; проведены многочисленные расчеты динамических и ионизационно - опти-еских характеристик взаимодействующих плазменных потоков, получено ильное возрастание электронной и ионных температур, резкое увеличение гепени ионизации в области взаимодействия и теоретически показана воз-южность генерации жесткого рентгеновского излучения.
Графическая ценность работы определяется тем, что созданные модели по-воляют с высокой степенью подробности определять характеристики плаз-юдинамических сред в различных условиях:
для сильно неравновесной плазмы в присутствии частиц дисперсной фазы, то является весьма важным для усовершенствования и разработки новых лазмодинамических и химических технологических процессов, решения кологических задач и для разработки систем контроля за источниками ИИ окружающей среде;
для верхней атмосферы 01=15-250 км) при химических возмущениях и на-ичии ИИ, что служит исходными данными для экологического мониторин-а и определяет условия функционирования электронно - оптических и рано систем;
для лазерной плазмы и плазменных сгустков, что с одной стороны позво-яет оценить перспективы получения высокотемпературной плазмы, а с дру-ой - оценить возможность ее воздействия на электронно - оптические сред-гва различных технических систем.
Гаучные положения, выносимые на защиту:
. Методика расчета состава сильнонеравновесной плазмы при наличии исперсной фазы в присутствии источников ИИ, подробно учитывающая
инетические процессы с участием аэрозольных частиц в широком диапазо-е изменения температуры среды.
. Методика расчета и результаты решения уравнения Больцмана примени-ельно к процессу трансформации энергии быстрых электронов в атмосфе-е.
. Универсальная модель расчета пространственно - временного распределе-ия ионизационно - оптических характеристик возмущенной и невозмущен-ой верхней атмосферы.
. Методика расчета динамических и ионизационных характеристик плаз-:енных потоков, взаимодействующих в режиме взаимопроникновения при ысоких относительных скоростях движения, результаты численного моде-ирования и сравнение с данными экспериментов.
^пробация результатов работы. Основные результаты работы докладыва-ись: на Европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения веществом (Париж, Франция, 1991), на 21 Европейской конференции по ■изике лазерной плазмы (Варшава, Польша, 1991), на 10 Международном змпозиуме по УФ и рентгеновской спектроскопии ( Беркли, США, 1992), на Международной конференции "Уравнения состояния" (Москва, 1992), на 5 1еждународной конференции по излучатсльным способностям высокотем-ературных сред (Санта-Барбара, США, 1992), на 22 Европейской конфе-енции по молекулярной спектроскопии (Эссен, Германия, 1994), на Конфе-енции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995), на 6,7 1еждународных конференциях "Метод крупных частиц: теория и приложе-ия."( Москва, 1996 и 1997), на 24 Международной конференции по плаз-енным исследованиям (Сан-Диего, США, 1997)
Тубликацни. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 печат-ых работах, а также в отчетах по теме исследований.
»бьем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти тав, списка литературы из 105 наименований. Полный объем 163 стра-ицы, в том числе 123 страницы текста, 63 рисунка, 5 таблиц.
Глава 1. КРАТКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ИОНИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ.
Характер работы над диссертацией был построен таким образом, чтобы обеспечить решение ряда прикладных задач по физике холодной, низкотемпературной и высокотемпературной плазмы, выполняемых в ЦФТИ МО РФ. Основная деятельность автора в решении этих задач была связана с разработкой методик расчета ионизационно - химической кинетики и численным исследованием достаточно сложных взаимопроникающих плазменных течений. Ионизационно - химические исследования объединяют решение изложенных ниже прикладных задач в единое направление. И хотя по исследованиям холодной и низкотемпературной плазмы имеется обширная литература мы остановимся лишь на тех работах, которые непосредственно связаны с полученными в диссертации новыми результатами.
Расчеты равновесного состава низкотемпературной плазмы различных смесей обычно проводятся на основе метода термодинамических потенциалов [ 1 ]. Для чистого воздуха и для воздуха с молекулярными примесями наиболее полный цикл программ был разработан в ЭНИНе под руководством профессора Самуйлова Е.В. [ 2 , 3 и др.]. Эти методики, также как и работа [ 4 ], во многом были ориентированы на взрывные задачи и плазменные течения при входе космического аппарата в атмосферу. Более сложные по составу плазменные среды, описываемые той же физической модельюу исследовались в ИВТАНе группой профессора Нефедова А.П. применительно к течениям в МГД генераторах [ 5,6 и др.].
Однако плазменная кинетика при взрыве имеет ряд своих особенностей: в нижней атмосфере ( Н< 40 км) - это действие на воздух ионизирующих излучений (ИИ); в приземных слоях - большое количе-
ство мелкодисперсного аэрозоля; в верхней атмосфере ( Н> 40 - 60 км ) - большие пробеги всех видов излучения и самой плазмы взрыва.
Каждая из указанных физических особенностей имеет одну общую для всех важную черту - нсравновесность ионизационно - химических процессов. Это требует разработки специальных методов математического описания таких процессов, основанных на детальном изучении их физического содержания. В ЦФТИ МО РФ под руководством профессора Ступицкого Е.Л. ведутся всесторонние исследования неравновесной ионизационно - химической кинетики в явлениях,сопровождающих взрыв [ 7,8 и др.]. Применительно к разреженной атмосфере разработана квазиравновесная модель и рассчитаны ТДФ [7]. Предложен ряд новых подходов по расчету пе в Е - слое ионосферы [9,10], хорошо согласующихся с экспериментом. Что касается приземной низкотемпературной плазмы с примесью грунта, то несмотря на то, что многие физические и кинетические аспекты проблемы были выяснены до выполнения данной работы, оставались нерешенными два принципиальных для взрыва вопроса: создание неравновесной методики расчета параметров среды с учетом ИИ и учет в единой модели (конденсация - ионизация - химия) влияния микрочастиц на эти параметры. Главным образом этому - созданию единой кинетической модели - посвящена вторая глава диссертации.
С ростом высоты процессы, определяющие состав атмосферы становятся существенно неравновесными, источники возмущений могут претерпевать значительные временные изменения, поэтому здесь возможно применение только кинетического подхода. В случае взаимодействия электронных пучков высоких энергий с газом в ионосфере Земли, действия ИИ на верхнюю атмосферу, возникает задача нахождения функции распределения электронов по энергии в широком диапазоне ее изменения. Через функцию распределения рассчитываются константы скоростей неупругих процессов - ионизации, диссоциа-
ции, возбуждения различных уровней атомов и молекул воздуха. Если время изменения интенсивности источника больше времени жизни и времени термолизации электронов, тогда ФРЭЭ может рассчитываться в стационарном приближении. Многие ионосферные задачи соответствуют этой ситуации, и решению такого уравнения посвящен целый ряд работ [ 11 - 16 ]. В частности, в работе [17] были определены доли потерь энергии электронов по некоторым каналам неупругих процессов.
Однако в описанных выше работах не учтен диффузионный член в упругих столкновениях с нейтралами, процесс диссоциативной рекомбинации электронов на положительных ионах, отсутствуют оценки вклада электрон - электронных столкновений в формирование низко-энергетичной части ФРЭЭ. Это вносит неопределенность в результаты расчета и сужает область их применения, в случаях, когда необходимо знать подробно всю функцию распределения и особенно корректно описать ее низкоэнергетическую часть. Подробный расчет ФРЭЭ необходим для определения констант кинетических процессов с участием электронов, которые используются в моделях возмущенной атмосферы. В третьей главе диссертации разработан законченный методический аппарат для расчета ФРЭЭ и определены константы скоростей основных неупругих процессов.
Для создания модели возмущенной атмосферы, позволяющей осуществлять долгосрочный прогноз характеристик среды, компоненты которой выходят на фоновые значения, необходимо корректное описание фотопроцессов под действием солнечного излучения. Одной из основных работ, в которой они подробно представлены , является [18]. В ней приведены сечения фото диссоциации для 14 основных нейтральных составляющих атмосферы, подробно проанализированы процессы фотодиссоциации для них. Дается высотное распределение констант фотопроцессов для 11=0-100 км в случае максимального зе-
-л? -
нитного угла Солнца (£), проанализировано влияние изменения Ъ на высотное распределение констант для ряда основных фотохимических реакций. Учет фотопроцессов важен при рассмотрении циклов химических превращений [19], в работе проведена оценка характерного динамического времени, определяющего формирование высотного профиля некоторых нейтральных компонент, и показано, что время турбулентного перемешивания на 2 порядка превышает характерные фотохимические времена для высот Ь> 15 км.
Наиболее важной и до конца неисследованной проблемой в О -слое атмосферы является вопрос о кластерах, ему посвящен целый ряд работ [20,21 и др.]. Схема образования кластерных систем предложена в [22], но к настоящему времени, к сожалению, отсутствуют достоверные экспериментальные данные по основным константам скоростей кластерообразования и нейтрализации кластеров противоположного знака. Поэтому результаты расчетов, полученные с помощью кинетических моделей [23,24], учитывающих кластерные ионы, могут носить лишь оценочный характер.
Основой модели возмущенной атмосферы являются ионизационно - химические процессы. Подробный обзор работ и наиболее полное рассмотрение моделей химических циклов представлено в [ 25,26]. А наиболее полные и подробные исследования ионизационной кинетики возмущенной атмосферы были выполнены доктором Козловым С.И. и др. [27,28]. Однако созданные модели (например, [29,30]) являются фрагментарными, узкоориентированными и не обладают достаточной универсальностью, любое изменение характера воздействия приводит к необходимости значительной доработки модели.
Обзор работ по данному направлению исследований приводит к выводу о необходимости создания единой универсальной комплексной модели, которая бы учитывала подробно: фотохимические процессы, основные циклы химических превращений нейтральных компонент,
- уJ -
циклы преобразования заряженных составляющих, процессы с участием электронов, процессы с участием возбужденных частиц. Такая модель будет представлена в четвертой главе диссертации, а ее отдельные блоки были качественно оттестированы с помощью описанных выше моделей.
Последнее направление исследований касается высокотемпературной плазмы - это проблема взаимодействия высокоскоростных плазменных сгустков в режиме взаимопроникновения. С этой задачей связано решение ряда фундаментальных и прикладных вопросов физики плазмы - явления в космофизике, геофизические эффекты в верхней атмосфере и магнитосфере при воздействии на нее мощных плазменных выбросов, взаимодействие плазменных сгустков с преградой. Создание горячей плотной плазмы при термализации направленной энергии ускоренных потоков рассматривалось в [ 31 ], где приведены результаты расчетов по столкновению сверхзвуковых плазменных потоков (П1=П2, Т1=Т2, У.--У2), в том случае, когда не присутствует магнитное поле В, либо оно не оказывает прямого влияния на процесс термализации. Здесь важно понятие "слабого" и "сильного" взаимодействия потоковувведенное в [ 32 ]. В том случае, если характерная длина торможения ионов / ~ « л характерного размера задачи, то приме-
нимо гидродинамическое описание; при 1> Л - необходим кинетический подход, основанный на решении уравнения Больцмана, либо следует применять многожидкостную модель. Такая модель вместе с идеями метода “ пробных” частиц [33] применяется для решения одномерной задачи о термализации направленной энергии встречных потоков плазмы в работе [34].
Эффект взаимопроникновения возникает и в условиях бесстолк-новительной плазмы космофизических процессов взрывного характера, лабораторному моделированию которых посвящена работа [35]. Вследствии низкой концентрации космической плазмы и больших ско-
- /У -
ростей потоков, их торможение нельзя объяснить кулоновскими столкновениями. В этом случае представляются перспективными численные исследования процесса передачи энергии между потоками за счет генерации электрических полей [ 36 ].
Численному моделированию взаимодействия сгустков лазерной плазмы с использованием метода “ пробных” частиц посвящен ряд работ [37,38]. Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных говорит об эффективности данного метода для описания процессов, сопровождающих взаимодействие сгустков лазерной плазмы низкой начальной концентрации (п < 1016 см 3).
Близкие по содержанию вопросы возникают в плазменных технологиях и здесь тоже возрастает роль численного моделирования технологических процессов.
Сложным для моделирования процессом является взаимодействие потока плазмы с твердотельной мишенью, физико - математическая модель такого взаимодействия представлена в [39]. В работе проведен подробный расчет параметров динамики разлета испаренного графита, определяется плотность электронов в пристеночной плазме, рассчитана толщина эродированного слоя мишени, но в модели не рассматривается важный процесс взаимодействия падающего плазменного потока и плазмы испаренного графита.
Анализ существующих работ, посвященных экспериментам с плазменными сгустками,показывает, что основное внимание в них уделялось исследованию процесса генерации и ускорения плазменного сгустка с помощью лайнеров и магнитного поля [ 40 ]. При этом плазма описывалась как односкоростная сплошная непрозрачная среда, электронная концентрация которой определялась в равновесном приближении по среднему заряду (аналогичный подход применялся ранее для анализа установки другого типа [ 41 ] ). Ионизационно-кинетических расчетов как при движении плазмы по каналу, так и
- Київ+380960830922