2
Оглавление
Введение...............:............................................5
Глава 1. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований рассеяния света в покоящихся газах.....................8
1.1 Закон Рэлея для интенсивности света, рассеянного на флуктуациях плотности...........................................................8
1.2 Формула Эйнштейна для интенсивности рассеянного света в жидкостях и газах..................................................10
1.3 Связь между формулами Эйнштейна и Рэлея. Случай идеального газа...............................................................12
1.4 Спектральный состав света, рассеянного на флуктуациях плотности: термодинамическая теория...........................................13
1.5 Случай разреженных газов.......................................18
1.6 Спектральное распределение интенсивности: кинетическая
модель............................................................19
1.7 Рассеяние на бинарных смесях газов...........................24
1.8 Отношение интенсивностей компонент Рэлея и Мандельштам-Бриллюэна..........................................................25
1.9 Деполяризация рассеянного излучения............................26
1.10 Экспериментальная база и техника измерений....................28
1.11 Объекты исследований, их характерные физические величины 30
1.12 Перспективные направления экспериментов по рассеянию света в
газах и газовых потоках............................................31
Глава 2. Численные расчеты спектров спонтанного рассеяния в газовых потоках............................................................37
2.1 Расчет интенсивности по формуле Рэлея..........................37
2.2 Термодинамическая модель: принципы построения, входящие параметры дифференциального сечения рассеяния......................38
3
2.3 Кинетическая модель: аналитическое выражение^ спектральной интенсивности рассеянного излучения.............................. 42
2.4 Учет’ влияния входной апертуры на спек-гр рассеяния МанделъштамаБриллюэна. Оптимальная форма диафрагмы................47
2.5 Сравнение термодинамической и кинетической моделей расчета
спектров рассеяния................................................54
Глава 3. Экспериментальная установка для измерения спектров рассеяния в газах.................................................57
3.1 Объект исследования - газовая струя. Разреженный газ..........57
3.2 Атмосферная струя.............................................60
3.3 Лазер.........................................................60
3.4 Сферический интерферометр Фабри-Перо..........................63
3.5 ФЭУ в режиме счета фотонов....................................67
3.6 Оптическая система сопряжения точки измерения с системой регистрации.......................................................70
3.7 Система автоматического управления экспериментом..............72
3.8 Градуировка спектрометра......................................74
Глава 4. Анализ экспериментальных спектров рассеяния Мандельштам а-Бриллюэна в газах.................................................78
4.1 Общий вид спектра рассеяния на интервале свободной дисперсии..78
4.2 Определение временного интервала регистрации фотоотсчетов при спектроскопии мандельштам-бриллюэновского рассеяния в газах 80
4.3 Влияние конечных размеров входной апертуры на измеренный спектр. Сравнение с расчетными данными............................83
4.4 Расшифровка спектров. Определение кинетических коэффициентов, температуры газа и скорости потока................................87
4.5 Спонтанное рассеяние в реальных атмосферных сверхзвуковых потоках...........................................................91
Заключение Список литературы
5
Введение.
В настоящее время интенсивное развитие невозмущающих методов диагностики высокоскоростных потоков привело к возникновению самостоятельного прикладного направления, в котором одно из центральных мест занимают спектральные измерения свойств излучения, взаимодействующего с потоком. При анализе потоков нейтральных газов, как правило, измеряют спектры рассеяния Рэлея, Мандельштам-Бриллюэна, и лазерно - индуцированной флюоресценции (LIF). Спектры спонтанного и индуцированного рассеяния в сверхзвуковых потоках измеряют методами адсорбционного частотного детектирования (Filtered Rayleigh Scattering-FRS) [73,74], рассеяния на лазерно-индуцированных электрострикционных решетках (Coherent Rayleigh-Brillouin Scattering-CRBS) [78-81], интерферометрическими методами с использованием плоского эталона Фабри-Перо [104-106]. При этом в качестве источника используют мощные импульсные лазеры, что необходимо в силу малого эффективного сечения рэлеевского рассеяния в газах. Анализ спонтанного рассеяния в сверхзвуковых газовых потоках реализован с помощью оптического доплеровского процессора на основе светосильного конфокального интерферометра Фабри-Перо в работах [84,85].
Численная модель спектра рассеяния в стационарных газах, основанная на использовании кинетического уравнения Больцмана, дает отличное соответствие с экспериментальными данными для покоящихся газов [38]. Модификации этой модели [35,43-45,53] успешно используются для интерпретации экспериментальных данных CRBS в стационарных газах [79-81], FRS в сверхзвуковых потоках [74], интерферометрических данных [105].
Значения параметров скорости, температуры, плотности газа, скорости звука и его затухания в газовых потоках являются важными
6
величинами, подлежащими измерению в научных, инженерных и промышленных применениях. Среди известных методов диагностики, методы, основанные на анализе спонтанного мандельштам-бриллюэновского рассеяния обладает рядом преимуществ, такими как:
• практически полное отсутствие возмущений потока
• устойчивость к турбулентным и рефракционным явлениям в исследуемом потоке
• устойчивость к наличию естественных аэрозолей.
Все это делает их весьма перспективными для применения к реальным потокам атмосферных газов и для зондирования атмосферы на дальних дистанциях, например в лидарных системах.
Целью работы является разработка методов анализа спектров спонтанного рассеяния Манделылтама-Бриллюэна в сверхзвуковых потоках газов и анализ их особенностей на основе существующих теоретических рассмотрений.
Новыми результатами, выносимыми на защиту, являются следующие положения:
1. Закономерности формирования аппаратной функции спектрометра Мандельштама-Бриллюэна для сверхзвуковых потоков газов определяются как аппаратной функцией самого спектрального прибора, так и угловыми и доплеровскими эффектами при наблюдении рассеяния. Оптимальное соотношение светосила-разрешение для мандельштам -бриллюэновского спектрометра может быть достигнуто при выборе приемной апертуры специальной формы.
2. Экспериментально обосновано применение метода спонтанного рассеяния для спектральных исследований запыленных потоков реального атмосферного газа.
3. На основании анализа измеренных спектров рассеяния, продемонстрирована возможность определения значений скорости
7
потока, местной скорости звука, статической температуры, средней длины свободного пробега молекул, сдвиговой вязкости газа в исследуемой точке.
Практическая ценность работы состоит в том, что метод спонтанного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна оказался устойчивым в применения к реальным условиям. Для примера исследован спектр спонтанного рассеяния в сверхзвуковой (700 м/с) струе атмосферного неочищенного воздуха. Продемонстрирована возможность определения из наблюдаемых спектров важнейших параметров потоков газов -статической температуры, средней длины свободного пробега молекул, местной скорости звука, сдвиговой вязкости, поступательной скорости потока в исследуемой точке.
Глава 1. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований рассеяния света в покоящихся газах.
1.1 Закон Рэлея для интенсивности света, рассеянного на флуктуациях плотности.
Известная формула Рэлея [1-3] для интенсивности рассеянного объемом К (с количеством молекул АО света с длиной волны Л под углом в на расстоянии L получена в [14,15] аддитивным сложением индуцированного полем световой волны момента молекул с учетом их средней поляризуемости
I = I0-2~2{S~J)2-(\ + cos2e) (1.1)
2А L N
где а--—- поляризуемость по Лорентц-Лоренцу для газов, п =
2 kN
Выражение (1.1) справедливо для естественно поляризованного света. В
9
случае линейно поляризованного света множитель (I + cos“ в) следует
заменить на sin Ф, где Ф- угол между вектором электрического поля световой волны и направлением рассеяния. Как правило, в большинстве экспериментов [37,38,50,56] используют линейно поляризованный свет, так что электрический вектор ортогонален направлению рассеяния, т.е.
9
sinw Ф —1. Как дань традиции общего изложения, в формулах Рэлея и Эйнштейна будет встречаться множитель (1 + cos в), который получен из теоремы косинусов в представлении естественного света суммой ортогональных поляризаций. Известная зависимость интенсивности от длины волны /-Я'4, которой объясняют атмосферные явления [3], не столь значима в опытах по рассеянию, где, как правило, применяют монохроматические источники [49,50,60], за редким исключением тех случаев, где речь идет о применении ультрафиолетовых лазеров для
- Киев+380960830922