Статистическое моделирование течений разреженного газа при взаимодействии с оптической решеткой

• Автор: Шевырин, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Оглавление
СПЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОД ПРЯМОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1 Метод ПСМ и его связь с уравнением Больцмана
1.2 Сравнение схемы мажорантной частоты с другими подходами
1.3 Схема Монте-Карло с временной релаксацией
1.4 Заключение по главе
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОПТИЧЕСКОГО ЗАХВАТА ГАЗА НЕРЕЗОНАНСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ С УЧЕТОМ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ
2.1 Поляризуемая частица в поле оптической решетки
2.2 Течение газа при оптическом захвате
2.3 Исследование оптического захвата газа методом ПСМ
2.4 Заключение по главе
ГЛАВА 3. РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ ГАЗОВ ЗА СЧЕТ ОПТИЧЕСКОГО ЗАХВАТА
3.1 Разделение смеси газов оптической решеткой
3.2 Использование импульсного лазерного излучения для разделения газа в капилляре
3.3 Заключение по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Оптический захват газа, возникающий при взаимодействии пересекающихся лучей лазера высокой интенсивности с поляризуемыми атомами и молекулами, открывает новые возможности для диагностики и управления газовыми потоками [1].
Градиентная дипольная сила, образующаяся при взаимодействии неоднородного оптического поля с диэлектрической частицей или поляризуемой молекулой газа, широко используется для манипуляции объектами микронного размера (так называемый оптический пинцет): диэлектрическая частица удерживается около лазерного луча из-за неоднородности интенсивности излучения в его радиальном направлении. Если размер частицы меньше длины волны лазера, то появляется возможность использовать градиент интенсивности излучения внутри интерференционной решетки, который значительно больше, чем радиальное изменение интенсивности в лазерном луче. Впервые на возможность захвата нейтральных атомов в узлах или пучностях стоячей световой волны было указано Летоховым [2]. Последующие исследования взаимодействия поляризуемых атомов и стоячих волн оптического излучения главным образом относились к формированию и манипуляции атомными пучками [3], [4], [5], а также охлаждению атомов [6], [7].ч Это было связано в первую очередь с малой величиной потенциала взаимодействия оптической решетки и поляризуемых атомов по сравнению с энергией теплового движения молекул при комнатной температуре.
Современные широкодоступные лазеры обладают интенсивностью лазерного излучения 10ш-10и Вт/см2 [8], что позволяет создавать оптические решетки с глубиной потенциала порядка 100 К. Это делает возможным захват существенной части атомов и молекул при комнатной температуре [9]. В последующих работах этих авторов было показано, что с помощью оптического захвата газа можно манипулировать молекулами в нейтральном сверхзвуковом пучке [10], в частности, использовать оптический захват для ускорения молекул до скоростей порядка 10-100 км/с на масштабах 100 мкм и 10 нс [9]. Также была показана возможность использования эффекта оптического захвата для создания времяпролетных детекторов, основанных на разнице масс и поляризуемостей компонент исследуемого вещества [11], и производить локальный нагрев и ускорение газа, что может являться перспективным методом увеличения тяги реактивных микродвигателей [12]. В работе [13] предлагается осуществлять мелкомасштабное перемешивание смеси газов за счет эффекта оптического захвата, а в работе [14] показана возможность создания течений в трубках малого размера и разделения смеси газов в капиллярах. Разделение происходит за счет селективного действия градиентной

дипольной силы на молекулы и атомы с различным значением поляризуемости и массы [9]. Рассеяние Релея - Брюллиена на возмущениях плотности газа, вызванных оптическим захватом, позволяет проводить локальную диагностику потока [15]-[20]. Таким образом, оптический захват газа является перспективным направлением исследований и может найти широкое применение в аэрогазодинамике.
Эффект оптического захвата при течении разреженного газа в свободномолекулярном режиме позволяет ускорять или замедлять группу захваченных молекул. При увеличении давления газа средняя длина свободного пробега между столкновениями становится соизмеримой с периодом оптической решетки. Например, при комнатной температуре средняя длина свободного пробега атомов гелия становится равной характерному значению периода оптической решетки 0,5 мкм при давлении приблизительно 200торр. В результате межмолекулярных столкновений происходит изменение скорости захваченных оптической решеткой молекул газа, что приводит к уменьшению числа захваченных частиц. В свою очередь, изначально незахваченные молекулы газа после столкновения могут попасть в область захвата. Таким образом, межмолекулярные столкновения оказывают существенное влияние на процесс оптического захвата газа. Поэтому вопрос о влиянии межмолекулярных столкновений на оптический захват газа является важным для анализа механизма оптического захвата.
Процесс оптического захвата газа сопровождается выделением тепловой энергии и изменением импульса газа [13], что может приводить к созданию больших градиентов температуры и давления. Учет влияния этих градиентов становится важным при исследовании разделения смеси газов. В этом случае действие оптической решетки на смесь газов не ограничивается разделением за счет селективности возникающей пондеромоторной силы и вызывает дополнительное разделение компонент, связанное с баро- и термодиффузией. Поэтому оценка вклада баро- и термодиффузии по сравнению с селективностью представляется интересным вопросом для понимания механизма разделения под действием оптической решетки.
Поскольку для реализации оптического захвата газа при комнатной температуре необходимы лазерные поля высокой интенсивности, то для экспериментальной реализации эффекта оптического захвата необходимо использовать импульсные лазерные источники. Поэтому особый интерес представляет процесс развития оптического захвата при малых временах от начала воздействия излучения (10-100 не). Моделирование нестационарного процесса оптического захвата может позволить выявить и описать явления, возникающие в газе под действием оптической решетки.

Для Кп = 0,1 и Б = 1 исследовано влияние числа моделирующих частиц на отклонение профилей скорости (Рис. 4 (а)) и температуры (Рис. 4 (б)) от решения уравнения Больцмана. Из результатов моделирования видно, что профиль скорости и температуры для N - 100 дает хорошее совпадение с результатом для N
4000, а при N = 10 наблюдается заметное отклонение от эталонного расчета. В целом, зависимость профилей температуры и доли повторных столкновений от числа частиц повторяют результаты, полученные для задачи о теплопередаче. Полученное малое отклонение профиля скорости по сравнению с отклонением профиля температуры при N = 10 также объясняется использованием для оценки скорости моментов функции распределения более низкого порядка, чем для температуры.
: - N-100 -- N-10

г' *"4

Рис. 4. Течение Куэтта, Б = 1, Кп = 0,1. (а) Профиль скорости, (б) Профиль температуры, (в) Профиль повторных столкновений.