Введение к работе
Актуальность темы исследовании. Широкий круг физических явле ний связан с рассмотрением процессов, происходящих в плазме с частицами дисперсной фазы (ДФ). Исследования этих процессов находлт применение в различных областях науки и техники, таких как физика твердого тела, химия, порошковая металлургия, плазменное напыление, разработка МТЛ-генераторов и т.д.
Присутствие в плазме макроскопических частиц ДФ существенно сказывется на ее оптических и радиационных свойствах и может оказывать значительное влияние на электропроводность, протекание химических реакций и т.д. Эти эффекты зависят от температуры, размеров, концентрации и химического состава частиц. Так как данные частицы сильно подверікенн влиянию внешних условий, наиболее пожіую и достоверную информацию об их параметрах можно получить в ходе экспериментальных исследований, используя бесконтактные (оптические) методы диагностики, которые базируются на решении обратных задач теории рассеяния.
Целью диссертационной работы являлись разработка оптических методов для определения размеров, показателя преломления, концентрации, температуры и излучательной способности частиц ДФ в плаз кенных потоках; исследование условий корректного решения обратных задач теории рассеяния, необходимых для качественного анализа ре зультатов экспериментальных исследований.
Для разработки метода определения среднего размера, показателя преломления и концентрации частиц были поставлены н решены еле-дущие задачи:
-
Оптимизация вычислительных алгоритмов и разработка пакета программ на основе теории Ми для расчета оптических характеристик моно- и полидисперсных.частиц.
-
Исследование влияния оптических параметров частиц ДФ (размеры, форма полидисперсного распределения, комплексный показатель преломления) на сечение ослабления с учетом конечного размера апертуры фотоприемного устройства.
-
Исследование влияния многократного рассеяния на измерение ослабления при различных размерах апертуры фотоприемного устройства.
Для разработки метода определения температуры и излучательной способности плазмы с ДФ были решены следующие задачи: I. Выбор метода решения уравнения переноса излучения (УПЮ, который позволяет однозначно определять температуру и излучательную
способность плазмы с ДФ у требуемой точностью по интенсивности ее собственного излучения и рассчитывать ошибки измеряемых величин за .:чат неучтенной кратности рассеяния.
Л Исследование влияния частиц на форму контура спектральной линии газа и собственное излучение слоя ДФ в оптически плотной плазме, її. Исследование влияния вида и форлы полидисперсного распределения на параметр анизотропии индикатрисы рассеяния, вероятность выживания кванта и излучательную способность плазмы с частицами ДФ. 1. Аппроксимация спектральной зависимости параметра анизотропии к вероятности выживания кванта "несерых" частиц дисперсной фазы.
Поставленные задачи включали экспериментальную проверку и применение разработанных методов для диагностики плазмы с ДФ.
Научная новизна работы преаде всего заключается в том, что разработаны оригинальные методы оптической диагностики частиц в плазменных потоках, такие как: метод определения размеров, показателя преломления и концентрации частиц; метод определения температуры и излучательной способности слоя частиц ДФ, который позволяет проводить измерения в "несерых" и оптически плотных средах.
При этом впервые получен ряд результатов, расширяющих и углубляющих существующие знания о процессах радиационного переноса в плазме с дисперсной фазой:
I. Получены оценки сходимости итерационных методов решения УПИ для ;ред с различной симметрией и на их основе: проведено исследование влияния многократного рассеяния на собственное излучение плазмы с Ш", рассмотрены границы применимости решения УПМ в приближении малых кратностей рассеяния.
г. Рассмотрены условия, необходимые для однозначного опрвделеїшя оптических характеристик и температуры плазмы с частицами ДФ по ее собственному излучению.
а. Получены условия, при которых эффективность ослабления, параметр анизотропии, вероятность выживания кванта и излучатвльная способность слоя ДФ определяются величиной гоутеровского диаметра частиц и не зависят от формы полидисперсного распределения. і прйцложены аппроксимационше соотношения спектральной зависимости вероятности выкйвзния кванта и параметра анизотропии индикатрисы рассеяния для чястид ДФ различных материалов.
Практическая ценность работы состоит в следующем і . Полученные результаты необходимы для решения различных приклад-чих задач, связанных с конструированием камер сгорания, плазменным напылением, разработкой МГД-генераторов и т.д.
2. Разработанные метода оптической диагностики частиц ДФ могут применяться для контроля за протеканием различных технологических процессов, качественным и количественным составом частиц ДФ в кк мерах сгорания, дымовых трубах заводов и т.д.. 3..Разработанные вычислительные алгоритмы для решения задач теории рассеяния ориентированы на применив в обработке результатов экспериментальных исследований и могут использоваться- при выборе как , оригинальных, так и традиционных методов оптической диагностики. Научные положения, выносимые на защиту.
-
Метод определения средних размеров, показателя преломления ;; и концентрации частиц ДФ по относительной зависимости прозрачности " исследуемого объема от угловой апертуры фотоприемника. Эксперимен- , тальная проверка работы метода в оптически плотных средах.
-
Результаты исследования сходимости итерационных методов решения уравнения переноса излучения в плазменных средах различных геометрий.
-
Результаты исследования влияния формы полидисперсного распределения на оптические характеристики частиц (эффективность ослабления, параметра анизотропии, вероятность выживания кванта і и ванучательщго способность плазмы с частицами дисперсной фазы.
-
Методика определения температуры частиц и излучатильной способности плазмы с ДФ из измерений ее собственного излучения и ослабления света от внешнего источника в некотором диапазон» длин волн. Аппроксимационные соотношения для спектральной зависимости вероятности выживания кванта и параметра анизотропии частиц ДФ.
-
Результаты измерений средних размеров, показателя преломления, концентрации и температуры частиц различных материалов в. плазменных потоках, полученные при помощи разработанных методов.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Физические методы исследования пространственных нооднородно-стей" (Москва, 1989), XI Международной конференции по МГД-преобразованию энергии (Китай, 1992), 1-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994), 5-ой Научно-технической конференции по пирометрии (Харьков, 1994), на семинарах и конференции в ИВТАН.
Публикации. Основные результаты .'диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем - 170 страниц, включая 42 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 122 наименований.
