Введение к работе
Актуальность. Распространенность и важность процессов, происходящих в нагретых газах, обусловливают к ним постоянный интерес исследователей. Круг проблем газодинамики, физики, химии высоких температур свазан как с прикладными задачами (горение в различных технических устройствах, взрывные процессы, движение тел в атмосфере), так и фундаментальными (физико-химическая газодинамика, кинетика, астрофизика). Наиболее распространенным лабораторным методом нагрева газовых смесей являются ударные волны, получаемые в ударных трубах. Кратковременность и нестационарность процессов в ударных трубах обусловливают ' необходимость развития методов диагностики с высоким временным разрешением, изучения процессов формирования течения высокотемпературной газовой среды для корректной интерпретации получаемых результатов.
В абсорбционной спектроскопии, относящейся к числу
оптических методов, традиционно используемых при исследованиях
быстропротекащих процессов в свою очередь выделяются два
метода: фотоэлектрический (регистрируется временная зависи
мость поглощения на одной частоте) и фотографический (одновре
менно регистрируется участок спектра). Кроме определения
концентрации поглощающих частиц, их спектроскопических хара
ктеристик, широкополосная регистрация поглощения может дать
возможность независимого определения температуры поглощающей
среды, например по относительной интенсивности линий. Задача
определения температуры горячих, в том числе реагирующих
газовых смесей, имеет несомненное значение и привлекает к себе
постоянное внимание исследователей.. - Фотографический метод
абсорбционной спектроскопии применялся для видимого и УФ
диапазонов, что связано с границами чувствительности существу
ющих широкополосных приемных средств. Значительный интерес
представляет Ж область спектра, в которой лежат линии
поглощения, соответствующие колебательно-вращательным
переходам большинства молекул. Возможности продвижения фотографического метода абсорбционной спектроскопии в ИК область связаны с внедрением нетрадиционных подходов, к которым обычно относят лазерные, в частности нелинейно-оптические. Разработка основанных на этих принципах нелинейных Ш спектрографов и их внедрение для диагностики быстро-
протекающих процессов пока реализованы далеко не в полной мере.
Построение газодинамического тракта ударной трубы во многом определяется особенностями решаемых с ее помощью задач. Широкополосные спектральные системы, работающие в фотографическом режиме, производят одну регистрацию участка спектра в одном опыте на ударной трубе. Для реализации режима накопления, получения широких спектров, при кинетических исследованиях требуется проведение нескольких опытов с высокой воспроизводимостью параметров ударных волн. Существенного улучшения воспроизводимости можно добиться, используя вместо диафрагмы быстродействующий клапан. Применение подобных клапанов обычно сопряжено с изменением площади проходного сечения трубы. Применение ударных труб переменного внутреннего сечения может обусловливаться также другими целями. Наличие секций с изменениями площади приводит к возникновению вторичных газодинамических возмущений. Для интерпретации и прогнозирования экспериментов в подобных ударных трубах требуется специальное изучение их газодинамики.
Цель работы - разработка нового метода ИК диагностики параметров (температуры и концентрации) молекулярных газов, нагретых ударными волнами, исследование возможностей его использования для изучения физико-химических процессов за ударными волнами.
Задачи работы:
1. Исследование возможности генерации широкополосного
излучения среднего ИК диапазона (около 3 мкм) и преобразования
его в видимый диапазон на основе процессов смешения излучений
импульсных лазеров в нелинейно-оптических кристаллах.
Реализация нелинейного ИК спектрографа на этих принципах,
изучение его характеристик.
2. Повышение воспроизводимости термодинамических '
параметров газовых смесей за фронтом ударных волн.
Модернизация ударной трубы - ее оснащение вместо
диафрагменного узла быстродействующим пневмоклапаном.
Исследование особенностей течения в канале бездиафрагменной
ударной трубы. Получение зон однородного течения с
необходимыми параметрами для измерений ИК спектров поглощения
нагретых газов.
3. Регистрация с помощью нелинейного ИК спектрографа ИК спектров поглощения в полосе колебательной моды i'3 метана, нагретого ударными волнами. Сопоставление полученных значений коэффициента поглощения с известными данными. Изучение возможности определения температуры метаюсодерхащих смесей путем сопоставления измеренных и рассчитанных спектров. Расчет спектров поглощения метана, их сопоставление с полученными в экспериментах.
Научная новизна:
1. Впервые показана возможность получения широкополосного
ИК излучения трех-, четырех- микронной области спектра,
преобразования его в видимый диапазон на основе процесса
генерации разностных частот лазерного излучения в нелинейно-
оптических кристаллах титанил-фосфата калия. На этих принципах
создан нелинейный ИК спектрограф, позволяющий в условиях
короткого рабочего времени ударной трубы регистрировать ИК
спектры поглощения.
2. Впервые на основе экспериментального и численного
исследований изучены особенности формирования течения в
бездиафрагменной ударной трубе с изменениями площади
внутреннего сечения. Получены данные по временным зависимостям
давления в различных сечениях бездафрагменной ударной трубы,
о продолжительности однородных областей течения.
3. Впервые зарегистрированы ИК спектры поглощения
высокотемпературного метана за ударными волнами, проведены
расчеты ИК спектров поглощения нагретого метана, показана
возможность определения температуры метаносодеркащих смесей,
нагретых ударными волнами, концентрации метана по ИК спектрам
поглощения, на ударной трубе реализован фотографический метод
абсорбционной спектроскопии для ИК области спектра.
Практическая значимость. Создан новый метод диагностики параметров нагретых молекулярных газов. Метод может применяться для определения концентрации поглощающей молекулы, температуры газовых смесей как в стационарных условиях, так и в условиях быстропротекащих процессов. Результаты по исследованию течения в бездиафрагменной ударной трубе с переменной площадью внутреннего сечения могут использоваться при проектировании и совершенствовании подобных экспериментальных установок.
На защиту выносятся:
- результаты исследования возможности создания лазерного
нелинейного ИК спектрографа на нелинейно-оптических
кристаллах;
метод регистрации ИК спектров поглощения молекулярных газов в условиях быстропротакавдих процессов;
результаты изучения формирования течения в Сездиафрагменной ударной трубе;
результаты анализа волновых - процессов в ударной трубе переменного сечения, который проведен по данным экспериментов и численного моделирования;
результаты регистрации ИК спектров поглощения метана, нагретого ударной волной, в полосе колебательной моды v3 с помощью созданного нелинейного ИК спектрографа;
- результаты расчетов Ж спектров поглощения ударно нагретого
метана;
- способ определения температуры и концентрации метана,
нагретого ударной еолной, по ИК спектрам поглощения.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на: V Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск - 1990г.), Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Рига - 1991г.), Международной школе-семинаре "Физика и газодинамика ударных волн" (Минск -1992г.), X Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка -1992г.), 15 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург - 1995г.).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 160 стр., включая 100 стр. машинописного текста, 37 рисунков, 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 151 наименование.