Введение к работе
Актуальность работы.
Вопросы, связанные с процессами интенсивного испарения и конденсации газов, представляют большой интерес как с практической, так и с теоретической точек зрения и являются объектами многочисленных исследований. Их теоретическое изучение во многом обусловлено необходимостью создания и развития новых ресурсосберегающих и наукоемких технологий. К таким технологиям, в частности, относится вакуумные технологии. При воздействии на материалы мощным источником энергии, например лазерным излучением, возникают ситуации, когда происходит интенсивное испарение с нагреваемых участков, сопровождаемое интенсивной конденсацией на охлаждаемых участках. Таким образом, к примеру, фабрикуются тонкопленочные полупроводниковые структуры в микроэлектронике.
Исследование процессов интенсивного испарения и конденсации актуально для практических разработок теплообменного оборудования, систем комплексной тепловой защиты летательных аппаратом. Развитие авиации и ракетно-космической техники требует изучения особенностей ряда течений, которые могут возникнуть при испарении теплоносителя и его утечки но причине разгерметизации защитной оболочки атомной силовой установки вследствие тепловых перегрузок в условиях космического полета. В данном случае продукты испарения истекают в вакуум.
Широкое применение, вслед за созданием в 1961 году первых лазеров на рубине, получили методы лазерной обработки материалов (резка, отжиг), бесконтактного измерения параметров среды, определения химического состава аэрозольных веществ в конденсированной фазе. Таким образом, актуальность темы диссертации определяется важными практическими приложениями в физике аэродисперсных систем, в аэродинамике, микроэлектронике, экологии.
Цель работы.
Настоящая работа посвящена изучению кинетических процессов при интенсивных испарении и конденсации молекулярных газов. В диссертации подведены итоги исследований автора, нацеленных на:
решение граничных задач кинетической теории интенсивного испарения молекулярных газов с плоской поверхности в собственный пар с использованием метода Мотт-Смита; определение предельной скорости испарения молекулярного газа; исследование влияния внутренних степеней свободы молекул на газодинамические граничные условия;
развитие нелинейной кинетической теории дозвуковой конденсации одноатомных газов; построение нелинейной кинетической теории дозвуковой конденсации молекулярных газов с использованием методов полупространственных моментов; учет влияния коэффициента испарения на процесс интенсивной дозвуковой конденсации;
построение теории нелинейной сверхзвуковой конденсации одноатомных и молекулярных газов с использованием метода Мотт-Смита; исследование влияния внутренних степеней свободы на области существования стационарного решения; изучение влияния коэффициента испарения на режим сверхзвуковой конденсации;
- решение граничных задач кинетической теории стационарного интенсивного испарения одно- и многоатомных газов с поверхности малой кривизны в вакуум; анализ зависимости граничных условий от числа Кнудсена, числа внутренних степеней свободы и коэффициента испарения.
Научная новизна работы.
-
Впервые получено аналитическое решение задачи об интенсивном испарении молекулярного газа с плоской поверхности в собственный пар, дающее правильное предельное значение числа Маха, равное единице.
-
Впервые аналитически решена кинетическая задача о сильной дозвуковой конденсации молекулярных газов. Определены области существования стационарного решения уравнения Больцмана. Показано существенное влияние внутренних степеней свободы на структуру областей существования решения уравнения Больцмана. Проанализировано влияние коэффициента испарения а на параметры дозвуковой конденсации.
-
Впервые построена аналитическая теория сверхзвуковой конденсации простых и молекулярных газов на плоской поверхности с учетом
возможности существования вблизи поверхности конденсации решения типа ударной волны. Проанализировано изменение структуры областей существования стационарного решения при переходе от простого газа к молекулярному. Определены области допустимых значений параметров, характеризующих состояние газа за кнудсеновским слоем и исследована их зависимость от коэффициента испарения.
-
Аналитически решена кинетическая задача об интенсивном испарении сферической частицы в вакуум при малых числах Кнудсена О < Кп < 0,1 Получены граничные значения макропарамстроп пара на внешней границе кнудсеновского слоя при интенсивном испарении одно-атомного газа. Исследована зависимость граничных условий от коэффициента испарения а.
-
Впервые получены аналитические выражения для расчета граничных условий к уравнениям гидродинамики при интенсивном испарении молекулярных (двух- и многоатомных) газов при малых числах Кнудсена.
Практическая значимость заключается в том, что полученные граничные условия при интенсивном испарении с плоской поверхности и поверхности малой кривизны могут быть использованы для решения разнообразных задач газовой динамики, связанных с аэрокоемнческнми исследованиями, практическим использованием лазеров (или других мощных источников энергии) в современных технологических процессах.
Проведенные исследования позволяют определить возможные области реализации стационарных процессов до- и сверхзвуковой конденсации, а полученные результаты дают возможность рассчитывать характеристики этих процессов в конкретных приложениях и могут найти применение при разработке и проектировании теплообменного оборудования, криова-куумных систем откачки различного назначения, устройств комплексной тепловой защиты летательных аппаратов.
Построенная теория интенсивной конденсации пара также может быть применима в микроэлектронике при создании установок для нанесения тонкопленочных покрытий.
На защиту выносятся следующие результаты:
вычисление газодинамических граничных условий при интенсивном испарении молекулярного газа с плоской поверхности в атмосферу собственного пара;
построение теории сильной дозвуковой конденсации молекуляр-
ных газон на плоской поверхности;
построение теории сверхзвуковой конденсации многоатомных газов на плоской поверхности с учетом возможности существования решения типа ударной волны;
вычисление газодинамических граничных условий при интенсивном испарении молекулярного газа с поверхности малой кривизны в вакуум.
Апробация работы.
М атериалы диссертации докладывались на XVI конференции стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (Одесса, 1993 г.); на XVII и на XVIII конференциях стран СНГ "Дисперсные системы" (Одесса, 1996 г., 1998 г.); на 20st и 21st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Beijing, China, 1996; France, Marseille, 1998); на III Международном аэрозольном симпозиуме IAS-3 (Москва, 1996), на семинарах кафедры теоретической физики Московского педагогического университета, на научных конференциях Ярославского государственного педагогического университета.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Она содержит 195 страниц машинописного текста, 5 таблиц и 27 рисунков.