Применение газодинамического лазера для очистки водной поверхности от нефтяного загрязнения

• Автор: Журавлев, Павел Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 75 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Нефтяное загрязнение мирового океана.
1.1. Актуальность экологической проблемы
1.2. Трансформация нефтяного загрязнения
1.3. Существующие методы ликвидации нефтяного загрязнения водной среды
Глава 2. Взаимодействие лазерного излучения с нефтяной пленкой.
2.1. Первые эксперименты
2.2. Расчет поля температур
2.3. Метастабильность и парообразующий
взрыв водной подложки
2.4. Воздействие взрывного вскипания на
пленку нефти
Глава 3. Газодинамический лазер.
3.1. Обоснование выбора газодинамического лазера для очистки водной поверхности от нефтяной пленки
3.2. Газодинамический лазер и принцип его работы
Глава 4. Экспериментальные исследования.
4.1. Измерение мощности лазерного излучения 42 ;
4.2. Методика проведения экспериментов
4.3. Результаты эксперимента
4.4. Об особенностях взаимодействия излучения с пленкой
Заключение
Литература
Дополнение
Введение
Тема диссертации: применение газодинамического лазера для очистки водной поверхности от нефтяного загрязнения
Цель уаботы: Исследование взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой на поверхности воды. Определение параметров лазерного луча, способного уничтожать нефтяную пленку.
Структура работы следующая:
В главе 1 приводится обзор проблемы загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами; анализируются существующие методы ликвидации аварийных разливов нефти на водной поверхности; мотивируется актуальность поиска новых универсальных методов уничтожения нефтяной пленки на поверхности воды.
В главе 2 проводится анализ первых экспериментов по взаимодействию лазерного излучения с нефтяной пленкой, проведенных еще в 70-е годы XX века. Эти эксперименты стали отправной точкой в исследованиях. Далее следует теоретическая часть. Расчет поля температур позволяет понять динамику прогрева гетерогенной жидкой структуры типа нефть/вода, на основании рассчитанных распределений температур анализируются процессы парообразования воды под нефтяной пленкой. Дальнейшие расчеты и оценки производятся в рамках модели взрывного вскипания метастабильной жидкости, рассматривается воздействие парообразующего взрыва на
нефтяную пленку и ее дробление на капли. Проводятся оценки величины характерного размера образующихся капель и высота их подбрасывания. Выполненные расчеты позволяют понять механизм взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой на водной поверхности и иллюстрируют возможность очистки поверхности воды от нефтяного загрязнения.
В главе 3 изложен сравнительный анализ различных типов мощных газовых лазеров с точки зрения целесообразности их применения для уничтожения нефтяной пленки. Рассматриваются также основные принципы работы газодинамического лазера.
Глава 4 полностью посвящена экспериментальным исследованиям. В начале главы изложена методика измерения мощности лазерного излучения с помощью проточного калориметра, способы калибровки и ошибки измерения мощности. Далее рассматривается методика проведения экспериментов по уничтожению нефтяной пленки лазерным излучением, проведенных на стенде “ИЦ им М.В. Келдыша”. Основными результатами экспериментального исследования являются параметры взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой, необходимые для ее полного уничтожения.
В Заключении сформулированы выводы.
В Дополнении приведена оценка производительности очистки водоемов от нефтяной пленки лазерным методом.

расходимости луча НХЛ в 3 - 4 раза меньше по сравнению с ГДЛ (при одинаковой апертуре). Однако эта проблема требует дальнейшего обсуждения.
Рассмотрим процесс вывода излучения из резонатора.
В лазерах большой мощности вывод луча из резонатора, где давление значительно ниже атмосферного, во внешнюю среду через твердое окно практически невозможен из-за теплового разрушения этого окна. Для вывода такого луча в окружающую среду обычно используется аэродинамическое окно, в котором роль стекла выполняет сверхзвуковой газовый поток, поперечный лучу. Поскольку в таком потоке существуют области газа различной плотности, ограниченные криволинейными поверхностями, то при прохождении луча через эти газовые неоднородности он испытывает искажения волнового фронта, приводящие к увеличению угловой расходимости луча. Эти искажения не зависят от длины волны (поскольку дисперсия показателя преломления газа пренебрежимо мала), поэтому они имеют одну и ту же абсолютную величину для ГДЛ и НХЛ. Однако относительные величины этих искажений волнового фронта (т.е. отнесенные к длине волны) для НХЛ в 3-4 раза больше, чем для ГДЛ, поэтому с точки зрения угловой расходимости излучения преимущество НХЛ перед ГДЛ может оказаться не столь существенным.
Длина зоны генерации излучения
В рабочей зоне ГДЛ происходит передача колебательной энергии от молекул N2 к молекулам СОг- Характеристическое время этого процесса относительно велико. Кроме того, велико также время релаксации колебательно-возбужденных молекул СО2* при их столкновении с другими частицами. Поэтому для полного извлечения