Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из разделов науки, бурно развивающихся в настоящее время, является исследование процессов воздействия лазерного излучения (ЛИ) на вещество и плазму. Условно физику лазерной плазмы можно разделить на два относительно независимых крупных раздела: 1) низкотемпературная лазерная плазма и 2) высокотемпературная лазерная плазма. Такое разделение соответствует двум важным прикладным направлениям: 1) широкое применение лазеров в технологической обработке материалов, распространение лазерного излучения в газах и конденсированных средах и пр. и 2) лазерный термоядерный синтез. В области исследования высокотемпературной плазмы уже давно сложился и применяется вычислительный эксперимент. Исследования же неодномерных нестационарных явлений в низкотемпературной лазерной плазме с помощью вычислительных методов стали проводиться сравнительно недавно.
В исследованиях, посвященных процессам лазерной технологической обработки металлов, было показано, что присутствие в зоне обработки плазменного облака качественно меняет картину взаимодействия. Наличие большого количества параметров в задаче взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности 105<К109 Вт/см2 с веществом (длина волны, мощность, пространственно-временные характеристики излучения, термодинамические и оптические свойства вещества и окружающего газа и др.) и сильно нелинейный характер взаимодействия приводит к тому, что в наиболее общей постановке проведение исследования и интерпретация полученных результатов представляют собой чрезвычайно сложную задачу, в которой много неизученных вопросов: пороги и механизмы плазмообразо-вания вблизи поверхности (проблема низкопорогового оптического пробоя), роль многомерных нестационарных газодинамических и оптических процессов, эффективность воздействия на поверхность в различных условиях, термохимические явления на поверхности и пр. Поэтому поиски режимов воздействия, их оптимизация и изучение велись до недавнего времени в основном экспериментальными и эмпирическими методами. Построение
расчетно-теоретических моделей и проведение С ИХ помощью целенаправленных исследований рассматриваемых процессов представляет собой актуальную в научном и прикладном отношении задачу.
В составе компьютерных кодов, предназначенных для решения задач физики плазмы, традиционно важное место занимают разностные схемы газовой динамики. Работы по созданию таких схем были в основном сконцентрированы на разработке методов построения дискретных моделей сплошной среды, в которых максимально полно были бы сохранены основные внутренние свойства исходных систем континуальных уравнений. Выполнение упомянутых свойств в дискретных моделях существенно улучшает качество и "физичность" численно получаемых решений. Одним из таких свойств является свойство полной консервативности системы дифференциальных уравнений газовой динамики. Эффективные полностью консервативные разностные схемы газовой динамики, построенные для случая лагранжевых переменных, заняли ведущее положение в этом классе алгоритмов. Однако, актуальность решения сложных задач, в которых наблюдаются большие сдвиговые деформации, или задач, в которых использование лагранжевых переменных затруднено, заставляет породол-жать работы по созданию эффективных схем газовой динамики в переменных, отличных от лагранжевых. Растущий в последнее время интерес к, так называемым, произвольным лагранжево-эйлеровым алгоритмам, позволяющим проводить решение газодинамических задач на подвижных перестраивающихся расчетных сетках, и появление нового поколения вычислительной техники, дающей возможность выполнять параллельные и векторные вычисления, а также ветви персональных компьютеров, сохраняет актуальность разработки и исследования новых подходов, методов и схем для эффективного решения двумерных уравнений газовой динамики в нелагранжевой форме.
Использование новых компьютерных информационных технологий, проведение численных экспериментов в процессе научного исследования сталкивается сегодая с определенными проблемами, связанными с построением эффективных интерфейсов для взаимодействия исследователя и реализованной на компьютере численной модели. Крайне остро стоит задача организации
процедур, обеспечивающих поступление огромных потоков входных и выходных данных, которые порождаются в таких моделях. Как отдельная составная часть этой проблемы выделяется задача визуализации динамики сложных многомерных объектов моделирования. Быстродействие и объемы оперативной-памяти современных компьютеров позволяют описывать такие объекты набором дискретных элементов, количество которых определяется числом Х>106. Процедуры оперирования такими объектами и проведения анализа их поведения становятся неотъемлемой компонентой моделирующих комплексов и требуют особого к себе внимания при разработке.
Основной целью настоящей работы является исследование средствами вычислительного эксперимента одномерных и двумерных нестационарных газодинамических явлений в низкотемпературной приповерхностной лазерной плазме. Для достижения этой цели в работе решаются следующие частные задачи:
-построение полностью консервативной разностной схемы газовой динамики в смешанных эйлерово-лагранжевых (СЭЛ) переменных;
-разработка системных средств поддержки интефейсов "Человек-Компьютер", "Компьютер-Компьютер", а также программных средств визуализации сложных нестационарных двумерных объектов;
-проведение численного эксперимента по моделированию динамики (распространения и распада) Светодетонацион-них Волн в сфокусированных пучках импульсных СО -лазеров.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
-построена и апробирована новая разностная схема газовой динамики в смешанных эйлерово-лагранжевых переменных. Продемонстрирована возможность решения с помощью этой схемы задач газовой динамики на подвижных (в том числе адаптирующихся) четырехугольных расчетных сетках;
-впервые поставлена и решена с помощь» вычислительного эксперимента задача о распространении и распаде светодетона-ционной волны в сфокусированных лазерных пучках. В рамках работы проведен полный цикл математического моделирования сложного объекта физической природы -от постановки задачи, через построение математической и компьютерной модели, через процесс формулировки научных гипотез к проверке их в численном и реальном экспериментах, через верификацию модели к определению путей ее усовершенствования и развития.
Практическая ценность работы. В диссертации разработаны и реализованы в виде программных комплексов численные алгоритмы для решения вакных задач вычислительной физики. Алгоритмы и программы используются при проведении теоретических исследований в области физики плазмы, аэродинамики и т.д.
С Помощью созданных программ изучена эволюция приповерхностной низкотемпературной лазерной плазмы. Результаты исследования инициировали и ориентировали соответствующие экспериментальные работы в данной области.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Расчетно-Теоретического и Математического отделов ФИАЭ им.И.В.Курчатова, на XII Всесоюзной школе молодых ученых "Вычислительные методы и математическая физика" (Одесса, 1987), на VII и VIII Всесоюзных конференциях по "Взаимодействию оптического излучения с веществом" (Ленинград, 1988, 1990), на Всесоюзной конференции "Физика плазмы и УТС" (Звенигород, 1990), на III и IV Всесоюзных конференциях "Взаимодействие излучения плазменных и электронных потоков с веществом" (Сухуми, 1988; Фрунзе, 1990).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы, насчитывающего 182 наименования. Объем диссертации 195 страниц, из них 75 страниц -иллюстрации и литература.