Моделирование процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с дисперсными системами Шайдук, Александр Михайлович

Введение к работе

Актуальность исследований. Появление мощных; источников оптического излучения обусловило стремительное развитие исследований, относящихся к области нелинейной оптики. Практически одновременно началось использование мощных источников оптического излучения в атмосферно - физических исследованиях с чрезвычайно широким спектром задач и областей применения.

Постоянное присутствие в атмосфере дисперсной компоненты (в частности, антропогенного происхождения) вызвало необходимость исследования процессов взаимодействия мощного оптического излучения с дисперсными системами.

При этом, в отличие от классической нелинейной оптики, взаимодействие мощного оптического излучения с дисперсной системой сопровождается нелинейными явлениями, имеющими другую физическую природу и возникающими при существенно меньших плотностях энергии воздействующего излучения.

Дифракционные и рефракционные искажения световых пучков, возникающие при оптических возмущениях вдоль трассы распространения излучения, воспламенение реакционноспособных частиц, диффузионное и газодинамическое испарение частиц, конденсация и образование вторичных дисперсных частиц и связанная с этим деформация функции распределения дисперсной системы, формирование ударных скачков п окрестности дисперсных частиц, изменение газового состава среды, возникновение в ряде случаев распространяющихся фронтон воспламенения дисперсной системы - все эти процессы приводят к нелинейному изменению оптических свойств дисперсной системы и к невозможности решить задачи переноса излучения через такую среду в рамках линейных или классических нелинейных моделей.

Перечисленные явления, возникающие при взаимодействии мощного оптического излучения с дисперсными системами, обычно имеют комплексный характер, крайне редко допускают возможность того или иного предельного перехода к упрощенным моделям. В связи с

этим успешное теоретическое исследование подобных задач невозможно без построения удачных и достаточно подробных математических моделей явлений и эффективных вычислительных схем.

Состояние проблемы. Задачи нелинейного взаимодействия мощного оптического излучения с дисперсными системами впервые стали активно изучаться для водных аэрозолей (облака, туманы и т.п.). В этой области построены регулярные модели испарения водных капель в поле излучения, обнаружены взрывные режимы испарения, построены модели переноса излучения через водный аэрозоль как в рамках однократного рассеяния, так и в ряде более точных приближений.

До появления мощных источников излучения модели воспламенения мелких дисперсных частиц развивались, в основном, в направлении исследования процессов горения в нагретом воздухе (в топках).

Первые эксперименты по лазерному воздействию на углеродный аэрозоль, фактически обусловившие возникновение нового направления исследований, проведены в 70-х годах в Институте оптики атмосферы СО РАН СССР.

Постановка задачи и построение моделей низкопорогового нелинейного взаимодействия мощного оптического излучения с реакцион-носпособными и тугоплавкими дисперсными частицами до появления работ автора отсутствовали.

К настоящему моменту в ряде исследований рассмотрены отдельные вопросы динамики теплофизических и оптических характеристик тугоплавкого аэрозоля, находящегося под воздействием мощного лазерного излучения. Некоторые методологические приемы, развитые в этих работах, использованы в диссертации (имеются соответствующие ссылки). Активно развиваются экспериментальные методики определения всех основных параметров нелинейного взаимодействия излучения с дисперсной средой. В частности, созданы микропирометры спектрального отношения, позволяющие определять динамику температуры аэрозольных частиц в режиме реального времени, апробирован метод оценки функции распределения частиц по размерам по ре-

зультатам температурных измерений, разработаны методики определения изменения радиуса горящей или испаряющейся мелкой твердой частицы, отработаны методики измерения динамики оптических характеристик дисперсной системы в процессе нелинейного воздействия мощным излучением, обнаружены процессы переконденсации и возникновение мелкодисперсной фракции при воздействии на модельный аэрозоль, разработаны голографичсскне методы оценки возмущений оптических характеристик среды в окрестности частиц, использованы эллипсометрические методы для определения температурных зависимостей комплексного показателя преломления материала дисперсных частиц. В большинстве этих исследований принимал участие и автор, по его вклад здесь не являлся определяющим и соответствующие вопросы не входят в представленную работу.

Цель исследования. Целью настоящей работы является построение моделей взаимодействия мощного оптического излучения с дисперсными системами, состоящими из твердых тугоплавких реакцион-носнособных частиц, разработка алгоритмов расчета характеристик излучения и дисперсной среды, экспериментальная проверка основных следствий из построенных моделей.

Сформулированная цель исследования включает в себя следующее.

1. Построение математической модели горения аэрозольных частиц
в поле мощного оптического излучения с учетом реальных тем
пературных зависимостей коэффициентов тепломассопереноса и
комплекса химических реакций. Экспериментальная проверка
основных параметров модели.

1. Построение модели диффузионного испарения аэрозольной ча-. стицы в поле мощного оптического излучения при одновременном присутствии окислителя.

2. Построение модели газодинамического испарения аэрозольной

частицы в поле мощного оптического излучения в среду с противодавлением.

4. Построение модели взаимодействия мощного оптического излучения с дисперсной системой, находящейся в вакууме.

5. Разработка комплекса компьютерных программ расчета характеристик испаренного вещества в условиях переконденсации при испарении в среду с противодавлением и в вакуум. Определение характеристик вторичных частиц.

6. Построение модели переноса излучения через дисперсную среду, состоящую из реакционноспособных частиц.

7. Определение основных оптических характеристик дисперсной системы и постановка задачи о реакции системы на мощное воздействующее излучение в режимах развитого испарения и переконденсации.

8. Разработка программ расчета возмущений оптических характеристик среды, распространения ограниченных световых пучков при нелинейном рефракционном и дифракционном искажении.

Научная новизна. По мнению автора научная новизна исследования заключается в следующем.

Впервые построены и экспериментально подтверждены модели горения аэрозольных частиц, находящихся в поле мощного оптического излучения. На основе построенных моделей разработаны компьютерные программы расчета основных экспериментально контролируемых параметров дисперсной системы, взаимодействующей с мощным оптическим излучением.

Впервые определена зависимость скорости изменения оптических параметров воспламеняющегося аэрозоля от плотности потока энергии воздействующего излучения. Обнаружена область размеров частиц, при которых существует неоднозначная зависимость скорости

выгорания от плотности потока энергии излучения. Выяснено, что выбор режима выгорания частицы в этом случае определяется предисто-рией процесса. Введены соотношения для диффузионно-химических критериев подобия, позволяющие в ряде случаев анализировать режимы выгорания частиц, не прибегая к численному решению уравнений исходной модели.

Впервые построена и экспериментально подтверждена модель диффузионного испарения горящей аэрозольной частицы в мощном оптическом поле. На основе созданной модели построены алгоритмы численного расчета полей температуры, концентраций и скоростей потоков реагентов, динамики радиуса и температуры аэрозольной частицы. Сформулированы условия и пределы применимости модели диффузионного испарения. Показано, что при развитом режиме испарения процессы гетерогенного горения частицы прекращаются. Исследована зависимость скорости изменения оптических характеристик дисперсной системы от плотности потока энергии излучения.

Построена и экспериментально подтверждена модель испарения частиц в поле мощного оптического излучения в среду с противодавлением в рамках газодинамического приближения. Сформулированы условия на характеристики воздействующего излучения и дисперсной системы, при которых возникает развитый газодинамический режим испарения. Рассмотрены дозвуковые и сверхзвуковые режимы испарения. Показано, что при определенных значениях плотности потока энергии излучения образуется фронт, на котором основные газодинамические характеристики испаренного вещества претерпевают скачок. Исследована зависимость положения фронта ударной волны от размера частиц и характеристик излучения. Построены численные алгоритмы расчета основных характеристик газодинамического потока.

Построена газодинамическая модель испарения тугоплавкой частицы, находящейся в мощном оптическом поле, в условиях вакуума. Показано, что образующийся пар участвует в интенсивной переконденсации, приводящей к образованию мелкодисперсной фракции

аэрозольной системы. Предложен термодинамический метод определения степени конденсации пара и оценены границы применимости этого метода. На основе предложенного метода определения степени конденсации получены некоторые аналитические решения для полей основных газодинамических характеристик. Разработаны и апробированы алгоритмы численного решения основных уравнений предложенной модели.

На основе построенных моделей впервые поставлена и решена задача переноса излучения через реакционноспособный аэрозоль в приближении однократного рассеяния. Сформулированы условия, при которых справедливо пороговое приближение в зависимости скорости изменения коэффициента аэрозольного ослабления от плотности потока энергии излучения. Показано, что при достаточно длинных трассах образуется стационарная или квазистационарная волна воспламенения, распространяющаяся вдоль трассы. Исследованы условия возникновения такой волны в зависимости от химических и физических характеристик дисперсной среды и плотности потока энергии излучения. В ряде случаев найдены аналитические решения для скорости фронта воспламенения, либо получены интегро - дифференциальные уравнения для определения скорости фронта воспламенения. Для полидисперсного аэрозоля построены численные алгоритмы определения основных характеристик процесса переноса излучения, контролируемых в реальных экспериментах.

Впервые сформулирована задача о комплексной реакции дисперсной системы, состоящей из тугоплавких реакционноспособных частиц, на воздействующее излучение.

Практическая ценность. Разработанные на основе построенных моделей численные алгоритмы позволяют рассчитывать основные характеристики взаимодействия излучения через дисперсную среду, содержащую тугоплавкие реакционноспособные частицы, в частности, прогнозировать условия распространения различного типа оптических сигналов через реальную атмосферу, загрязненную дисперс-

ными продуктами антропогенного происхождения.

Физические результаты, полученные в работе, позволяют разрабатывать приборы, устройства, системы, предназначенные с одной стороны для управляемого воздействия на дисперсную систему с целью получения требуемых оптических параметров, с другой стороны предназначенные для определения микрофизических и оптических свойств аэрозоля,находящегося под воздействием мощного оптического излучения.

Построенные модели взаимодействия излучения с дисперсными системами и методологический подход, использованный при построении моделей, оказались основой для применения в других аналогичных проблемах и были активно использованы в ряде работ.

Достоверность. Во всем комплексе построенных моделей взаимодействия излучения с дисперсной средой одной из главных целей являлось развитие модели до получения численных параметров, которые могли бы контролироваться в реальных экспериментах по воздействию излучения на дисперсные системы. В период проведения настоящего исследования было выполнено большое количество экспериментальных работ многочисленными независимыми авторами, ссылки на эти работы имеются в настоящей диссертации. Результаты экспериментов подтвердили как основные приближения, используемые при построении моделей, так и важнейшие выводы, касающиеся поведения радиуса и температуры дисперсных частиц, оптических возмущений среды в окрестности частиц, зависимости оптических параметров дисперсной системы от плотности потока энергии излучения.

Поскольку в настоящем исследовании весьма активно использовались численные методы решения исходных уравнений моделей, во всех случаях определялись аналитические решения в рамках тех или иных упрощений. Корректность численных методов проверялась в том числе сравнением с полученными аналитическими результатами.

Активно использовались предельные переходы для получения результатов, вытекающих из задач, близких к рассматриваемым в на-

стоящей работе.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 64 работы, в том числе 2 монографии.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на II всесоюзном совещании по атмосферной оптике (г. Томск, 1980), III Всесоюзном совещании по воздействию ионизирующих излучений и света (Кемерово, 1982), 4 международном симпозиуме по газовым и химическим лазерам (Стреза, Италия, 1982), IY Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения (Томск, 1983), 3 Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1985), IY Всесоюзном симпозиуме по лазерной химии (Звенигород, 1985), XIY Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных сред" (Одесса, 1986), III Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений" (Харьков, 1986), YIII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1986), XY Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987), IX Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию (Томск, 1987), X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1989), XXY Всесоюзной конференции по актуальным вопросам физики аэродисперсных систем (Одесса, 1989), XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1991), Y Совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1992).

Личный вклад автора. Результаты, приведенные в настоящей работе, получены лично автором. Ряд исследований, которые также входят в проблему низкопороговых нелинейных взаимодействий излучения с дисперсными средами, в частности модели горения частиц во влажной среде, ряд экспериментальных исследований и т.п., в которых автор частично также принимал участие, не включен в настоящую диссертацию.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся

1. Модель горения аэрозольных частиц в поле мощного лазерного излучения в рамках своих основных выводов и приближений и развитый при построении модели методологический подход. В частности, утверждение о квазистационарности процессов горения, методика расчета динамики радиуса и температуры горящих частиц, зависимость скорости выгорания от плотности потока энергии излучения, существование области неоднозначности этой зависимости, методика и необходимость учета температурной зависимости коэффициентов тепломассопсреноса, роль гомогенной реакции горения в случае воздействия внешним излучением.

2. Модель диффузионного испарения аэрозольных частиц в рамках своих основных выводов. В частности методика расчета динамики температуры и радиуса испаряющейся реакционноспособной частицы при различных значениях мощности излучения, утверждение о подавлении режимов гетерогенного выгорания частиц при их интенсивном испарении, о линейной зависимости скорости испарения в широких пределах изменений радиуса частиц в режиме развитого испарения, слабой зависимости температуры поверхности частицы от плотности потока излучения в этом режиме.

3. Модель испарения дисперсной частицы в поле мощного оптического излучения в газодинамическом режиме, в котором диффузионная модель испарения неприменима. В этом режиме испарения существуют условия, при которых скорость испаренного вещества становится сверхзвуковой и в окрестности испаряющейся частицы возникает неподвижный относительно частицы фронт ударных скачков основных газодинамических параметров. Расстояние до фронта определяется плотностью потока энергии излучения и линейно зависит от размера частицы.

4. Модель взаимодействия дисперсной системы с мощным оптическим излучением в условиях вакуума. В частности, термодинамический метод оценки степени конденсации пара, вывод об образовании мелкодисперсной фракции вторичных частиц, образовавшихся в результате конденсации в области пересыщения испаренного вещества.

5. Модель взаимодействия мощного оптического излучения с дисперсной системой, состоящей из реакционноспособных частиц, в приближении однократного рассеяния, в рамках своих основных приближений и выводов. В частности, утверждение о том, что при взаимодействии мощного излучения с реакционноснособным аэрозолем при определенных условиях образуется стационарное или квазистационарное движение фронта воспламенения дисперсной системы, распространяющееся вдоль трассы. При взаимодействии с мелкодисперсной фракцией аэрозоля такой фронт, напротив, образовываться не может. Для полидисиерсного аэрозоле с небольшим разбросом по размерам может образоваться движущийся фронт воспламенения, но лишь в определенном диапазоне плотностей потока энергии излучения. При значительном увеличении мощности излучения реакция дисперсной системы приведет к увеличению оптической толщи системы из-за активного образования вторичных частиц.

6. Модель расчета оптических возмущений среды, содержащей дисперсные частицы. В частности, выводы о необходимости учета реальной геометрии эксперимента при расчетах сечения рассеяния в приближении Рэлея - Ганса, методика определения скорости фронта воспламенения в параболическом приближении.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 275 страниц машинописного текста, включающего в себя список литературы из 187 наименований и 69 рисунков.