Введение к работе
Актуальность темы. Для наиболее эффективного и надежного использования лазерных источников излучения в системах оптической связи, передачи энергии и информации, при нелинейном дистанционном зондировании и контроле параметров атмосферы требуется решение ряда конкретных практических задач по распространению лазерного излучения через газовзвеси. Многообразие подходов к вопросу взаимодействия лазерного излучения с аэродисперсными средами объясняется значительным количеством механизмов этого взаимодействия, которые могут проявляться в зависимости от условий задачи и по отдельности, и в совокупности.
Прохождение мощного лазерного излучения (МЛИ) через атмосферные аэрозоли сопровождается рядом нелинейных эффектов, самым низкопороговым из которых является тепло-акустическое самовоздействие, приводящее к дефокусировке пучка, изменению его формы и т.д. Эти нелинейные оптические эффекты обусловлены процессами радиационного нагрева, испарения, горения, диссоциации, фрагментации и ионизации аэрозольной компоненты, переконденсации испаренного вещества, образованием светоиндуцированных тепловых и гидродинамических неоднородностей физических параметров в окрестности частиц и в сечении пучка, изменением границ сосуществования различных агрегатных состояний и т.д.
На основании значительного числа мониторинговых работ по диагностированию атмосферных аэрозолей можно полагать, что во многих случаях именно углеродные частицы составляют значительную долю атмосферного аэрозоля и являются одним из основных факторов, определяющих оптические характеристики атмосферы.
К настоящему моменту по вопросу поведения твердого углеродного аэрозоля в поле МЛИ проведено много серьезных научных исследований и получены определенные теоретические результаты, находящиеся в согласии с экспериментом, но несмотря на это значительное
количество вопросов взаимодействия, в частности,вопрос о возможной переконденсации испаренного вещества, остается открытым.
Цель, работы. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с углеродным аэрозолем путем совместного учета испарения азрозольной частицы и переконденсации испаренного вещества, а также исследование параметров образующегося в ходе конденсации вторичного аэрозоля.
Научная новизна. Построена модель испарения тугоплавкой частицы в атмосфере с учетом конденсации пересыщенного пара в окрестности частицы и образования субмикронного аэрозоля при звуковых скоростях разлета испаренного вещества.
Проведены численные расчеты с учетом реальной температурной зависимости коэффициентов тепломассопереноса для профилей полей давления, температуры, концентрации испаренного вещества в окрестности частицы и скорости расширения парогазового облака. Обнаружено существенное различие результатов, получаемых с учетом и без учета процессов переконденсации парогазового облака.
Предложены, с соответствующим обоснованием, новые граничные условия для параметров пара у поверхности частицы и их соотношение со значениями параметров на поверхности самой частицы.
Показано смещение положения фронта стационарной ударной волны, вызываемое явлением переконденсации, в сторону от частицы.
Теоретически и экспериментально рассчитаны микрофизические характеристики образующегося полидисперсного аэрозоля.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:
при диагностике параметров субмикронного аэрозоля, образующегося при расширении парогазового облака;
при решении задач газовой динамики по высокоскоростному расширению пара;
при решении задач по прохождению мощного лазерного излуче-
ния через аэрозольное облако;
— для создания полидисперсных аэрозолей однородной и многослойной структуры испарением затравочной частицы в поле МЛИ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Модель высокоскоростного испарения тугоплавкой углеродной частицы в поле мощного лазерного излучения в нормальных атмосферных условиях с учетом переконденсации.
-
Образование и рост вторичных частиц происходит при существенной роли гетерогенного зародышеобразования в расширяющемся углеродном парогазовом облаке в.области от поверхности частицы до фронта стационарной ударной волны.
-
Средний размер вторичных частиц, возникающих в процессе переконденсации при расширении облака углеродного пара от поверхности частицы, находящейся под действием мощного лазерного излучения, лежит в диапазоне (5-50) нм.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена в Алтайском государственном университете. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры общей физики Алтайского государственного университета и на следующих Всероссийских и международных конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция " Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (г. Барнаул, 1996 г.), IV международная конференция "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов" (г. Барнаул, 1997 г.), IV Симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (г. Томск, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на
114 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и список
литературы из 120 наименований; '