Введение к работе
Актуальность темы. Аэрозоли представляют собой значительный класс природных я используемых в промышленности объектов, поэтому их изучение является актуальной задвчей. К основным параметрам, характеризующим состояние аэрозольных сред относятся» спектры размеров частиц а их распределение, концентрации частиц, оптические свойства аэрозоля, химический состав отдельных частиц. В настоящее время для ' изучения этих параметров и динамики быстропротекапцих процессов зарождения, коагуляции, распространения аэрозолей широко используются методы и техника лазерной спектроскопии. Они основаны на механизмах поглощения и рассеяния электромагнитного излучения при взаимодействии с частицами среды и предполагают решение ряда теоретических задач методами математического моделирования процессов и создания на их основе современных экспериментальных подходов.
Несмотря на достаточно развитый аппарат современной фазини в этой области, актуальны вопросы математического моделирования процессов рассеяния излучения на частицах произвольной формы. Существуют-также особые направления рассеяния -углы радуги и глории, для описания которых неооходиш создание адекватных физическому явлению аналитических и Численных моделей.
Рассеяние света в области радуги, согласно теоретическим
моделям, обладает особой чувствительностью к поверхностным
колебаниям жидких частиц. Такой подход стввит вопрос о
возможности наблюдения комбинационного рассеяния на резонансно
возбуждаемых колебаниях формы частиц. Представляет интерес
исследование эффективности использования метода в первую
очередь для параметров аэрозоля, которые не могут бить найдены
традиционными методами линейного светорассеяния, либо требуй
привлечения трудоемких и неоднозначных вычислительных
алгоритмов. К таким параметрам относится, в частности, функция
распределения частиц по размерам. . -'"-;
Использование, аэрозольных ансамблей в практических задачах требует создания автоматизированных бесконтактных оптических комплексов с возможностью регистрации быстропроте~ кагаих процосссз. Кроме того, для решения ряда задач актуальны
подходы новой развивапцейся области лазерной спектроскопии -эхе—спектроскопии пространственно неоднородных сред, каковыми являются аэрозольные ансамбли.
Цель работы. Математическое моделирование процессов радуиіого рассеяния и экспериментальное исследование взаимодействия лазерного излучения с аэрозольными частицами, что включало в своя решение последовательности связанных между собой задач: гналитическое и численное моделирование процесса рассеяния излучения на одиночной жидкой капле в направлении радуги; теоретическое оооснование и экспериментальная регистрация резонансного поведения сигнала радуги от поверхностных колебаний формы капли - создание метода динамической радуги-і изучение эффектов и способов возоувдения резонансных мод колебаний формы частиц методом динамической радуги, создание автоматизированных измерительных комплексов регистрации спектров размеров отдельных аэрозольных частиц и дисперсности распиливания ансамбля аэрозоля в факеле форсунок, математическое моделирование и экспериментальная регистрация эхо-откликов в сигнале динамической радуги от аэрозольного ансамбля.
Научная новизна. Построена аналитическая модель рассеяния лазерного излучения в область углов радуги на эллипсоидальной жидкой частице. Проведаны численные расчета в рамках классической теории рассеяния - теории. Ии н предложенной модели рассеяния в,эйкональном приближении, показана юрошая сходимость результатов о вксперимелтальными измерениями. Математическая модель радужного рассеяния на одиночной капле позволяет обосновать практичаскув возможность регистрации поверхностных колебаний формы жидких частиц аэрозоля.
Предложен новый метод регистрации комбинационного рассеяния излучения на поверхностных колебаниях формы жидких капель в области радуги - метод "динамической радуги-. Впервые с помощь»,метода динамической радуга наблюдалось и экспериментально зарегистрировано явление самовозбуждения капель в поле лазерного излучения слабой модаоста (до to* Вт/см1).
Впервые теоретически обоснован и экспериментально подтвержден подход эхо^тактроскопии к изучению аэрозольных ансамблей методом динамической дадут». Это позволило создать математическую модель формирования эхо-откликов в
сигнала рассеянного на частицах аэрозоля излучения, обосновать новый механизм проявления эхе—откликов в ансамбле линейных ила слаболинеаных осцилляторов. Также впервые экспериментально зарегистрировано явление формирования эхо-откликов в сигнале рассеяния на ансамбле хидкнх капель.
Практическая ценность полученных результатов. 11а базе теоретических и экспериментальных результатов работы разработан и реализован автоматизированный лазерный комплекс измерения дисперсных характеристик факелов распиливания кмдкостей, внедренный в практическую эксплуатацию. Созданный программно-аппаратный коррелятор, представляющий блок обработки комплекса, является отдельной технической разработкой, которая используется в ряде установок лазерной корреляционной спектроскопии.
Аналитические и численные модели рассеяния лазерного излучения на отдельных частицах и на аэрозольном ансамбле позволили создать развитый пакет 'прикладных программ, представляющий практический интерес.
с помощью метода динамической радуги экпериментвльно получены спектры рассеяния различных жидких капель и их ансамблей , что позволяет далее восстанавливать размеры и распределения по размерам аэрозольных частиц.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на Всесоюзной конференции Фізика и техника монодисперсных систем- (Москва,1988), на XI Всесоюзной конференции Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем-(Одесса,1989), на' Международной конференции по оптическим измерениям - Ernst Abbe Conference (Иена, Германия, 1989), на XV Международной конференции по распространению лар'-чгаго излучения в атмосфере (Томск, 1990), на Европейской конференции по аэрозолям (Цюрих, Швейцария, 1990), в также на научных семинарах в Московском Инженерно-физическом Институте, Институте .теоретической и прикладной математики АН Республики Казахстан, Алма-Атинском энергетическом институте, Научно-исследрввтельском институте двигателей (г.Москва).
Публикации. Основные результаты изложены в 10 няуигах работах, опубликованных в открытой печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения и заключения. В конце работы приведен список цитируемой литературы из 105 наименований. Общий объем работы включая 16 рисунков на То страницах, составляет 120 машинописных страниц.