Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последнее время значительное развитие и распространение получило направление работ, связанное с физикой плотной излучающей электроразрядиой плазмы в магнитных полях. Это вызвало тем, что данные исследования находят многочисленные приложения в таких областях пауки и техники как квантовая электроника, фотохимия, управляемый термоядерный синтез, взаимодействие излучения с веществом, вхождение тел в плотные слои атмосферы, физика космической плазмы, физика взрыва, плазменная технология, сильноточная импульсная высоковольтная техника.
Сильноточные самосжатые разряды привлекли к себе внимание еще в 50-х годах в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза как возможные источники высокотемпературной плазмы для инициирования термоядерных реакций. Развитие квантовой электроники потребовало разработки мощных источников света для энергетической накачки лазеров. Обычпые ксепоповые ламны, используемые для накачки твердотельных оптических квантовых генераторов, не вполне удовлетворяли запросы техники. Широкое распространение получили сильноточные электроразрядные источники света, которые отличаются от импульсных ксеяоиовых лаып в десятки и сотни раз более высокими потоками и широким спектром излучения от видимой до ультрафиолетовой области.
Изучение плотной и сравнительно низкотемпературной плазмы, получаемой в сильноточных разрядах, когда процессы переноса излучения играют определяющую роль в динамике и энергетике плазмы, представляет л чисто научный интерес с точки зрения понимания и дальнейшего лабораторного моделирования процессов в плазме некоторых космических образований. Кроме того, изучение плотгой низкотемпературной плазмы представляет интерес, так как в такой плазме нарушается идеальность вследствие сильного кулоповского взаимодействия заряженных частил.
Настоящая работа досвяшена численному моделированию ра-диациопно-газодштмических процессов, протекающих в сильноточных импульсных капиллярном и мапштоярижатом разрядах. Теоретическое изучение сильноточных эрозионных разрядов представляет значительные трудности, заключающиеся как в большом количестве разнообразных физических процессов, сопровождающих динамику развития разряда, так и их сложной взаимосвязи.' Это требует ком-
плексного подхода к построению теоретической модели и численному эксперименту па электронных вычислительных машинах. Теоретическая модель должна включать наиболее важные физические процессы и не накладывать существенных ограничений на геометрические и временные масштабы изучаемых процессов. Экспериментальное изучение динамики плазмы в разрядах во многих случаях ограничено в силу тех или иных причин, тогда как численное моделирование на ЭВМ дает возможность получить результаты, недоступные в експерименте.
Целью работы является построение количественной теории радиа-циошю-газодинамических процессов, протекающих в эрозионных сильноточных импульсных разрядах на примере капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС) и магиитоприжатого разряда (плоского и коаксиального). Так как аналитические методы не позволяют детально описать динамику плазмы в разрядах, то для исследования сильноточных импульсных эрозионных разрядов был применен метод численного моделирования в двумерной постановке. Для реализации работы необходимо было создать физическую и математическую модель явления и на ее основе разработать двумерную методику численного моделирования процессов, протекающих в мощных эрозионных электрических разрядах, которая учитывает основные радиационно-газодинамические процессы. Ставилась задача получения закономерностей формирования и динамики плазмы в капиллярном и магнито-нрижатом разрядах и уяснения влияния различных физических параметров и геометрических размеров конструкции разрядной камеры на структуру течения с учетом реальных термодинамических, оптических и транспортных свойств плазмы. Ставилась задача о проведешга численных расчетов с исходными параметрами разрядов приближенных к экспериментальным и количественном сопоставлении теоретических и опытных данных.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые числеппыми методами в двумерной постановке исследованы особенности нестационарных радиациошю-газодинамических процессов, протекающих в импульсном сильноточном эрозионном капиллярном разряде с испаряющейся стенкой (КРИС), а также в плоском магнитоприжатом (МПР) и коаксиальном магнитоприжатом (КМР) разрядах. Последовательно прослежена динамика явления, начиная со стадии нагрева и испарения диэлектрической стенки разрядной камеры вплоть до установления квазистациоиарпого распределения газодинамических величин, учтено влияние собственного теплового излучения плазмы
И магнитных полей, джоулев энерговклад. Исследовано влияние различных физических параметров и геометрических размеров капилляра и разрядной камеры магнитоприжатого разряда на динамику течения плазмы с учетом реальных термодинамических, оптических и переносных свойств плазмы.
Научная и практическая ценность. Полученные в работе результаты развивают представления о закономерностях формирования и динамике плазмы в мощных импульсных эрозионных электрических разрядах. В работе учтено влияние разнообразных физичесюїх и геометрических параметров на течение плазмы в эрозионных разрядах. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию процессов, протекающих в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой и магнитоприжатом разряде (плоском и коаксиальном), их взаимосвязи и позволяют проводить более целенаправленные исследования мощных эрозионных импульсных разрядов. Результаты данной работы были использованы в ГРИ им.. С.И.Вавилова при интерпретации результатов экспериментальных работ и прогнозировании параметров плазмы, получаемой в сильноточных эрозионных электрических разрядах.. Защищаемые положения:
—-описание и обоснование физической модели сильноточного импульсного капиллярного разряда с испаряющейся стенкой; —описание и обоснование физической модели сильноточного плоского магнитоприжатого разряда (Н-прижатого разряда); —описание и обоснование физической модели сильноточного коаксиального магнитоприжатого разряда (КМР);
методика численного моделирования пропессов, протекающих в капиллярном и магнитоприжатом разрядах в двумерной постановке;
закономерности развития разряда, структура газодинамического течения, роль различных физических факторов в формировании и динамике течения плазмы в сильноточном капиллярном разряде с испаряющейся, стенкой и двух конструкциях магнито-нрижатого разряда.
Апробация работы И публикации. Основные результаты исследований докладывались на IV и V Всесоюзных конференциях "Динамика излучающего газа" (Москва, 1980,1983 г.), I и II Всесоюзных симпозиумах по радиационной плазмодинамнке, (Лжан-Туган,1989, Кациве-ли,1991 г.), на II Всесоюзном семинаре "Физика быстропротекающих процессов" (Гродно, 1989 г.), па III Всесоюзной конференции "Метод
крупных частіш: теория и приложения" (Москва, 1989 г.), на отраслевом научно-техническом семинаре "Стойкость - свет" (Сосновый Бор,1990 г.), на 7-ой Всесоюзной конференции "Уравнения состояния вещества" (Эльбрус,1990 г.), на Международной школе. - семинаре "Физика и газовая динамика ударных волн" (Минск, 1992 г.). По материалам исследований опубликовано 26 работ. Основное содержание диссертации отражено в 11 статьях С'- "І.
Личный вклад автора. Все основные результаты настоящей рабо
ты были получены автором самостоятельно. Научный руководитель
работы кандидат физико-математических наук Г.С.Романов сформу
лировал тему исследований, осуществлял общее руководство и при
нимал непосредственное участие в обсуждении полученных резуль
татов. Из работ [5,6,3-llj в диссертацию включены принадлежащие
автору теоретический анализ и интерпретация результатов двумер
ных расчетов коаксиального магаитоприжатого разряда.
Структура й объем диссертации. Диссертация состоит из огла
вления, списка основных обозначений, введения, четырех глав, за
ключения и списка цитированной литературы. Она изложена на 150
страшщах машинописного текста, содержит 53 страницы рисунков и
библиографию из 259 названий. Общий объем диссертации 231 стра
ница. *