Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634699)
Контекстум
.
Прикладная механика и техническая физика

Прикладная механика и техническая физика №5 2007 (352,00 руб.)

0   0
Страниц186
ID200365
АннотацияЖурнал публикует оригинальные статьи и заказные обзоры по механике жидкости, газа, плазмы, динамике многофазных сред, физике и механике взрывных процессов, электрическому разряду, ударным волнам, состоянию и движению вещества при сверхвысоких параметрах, теплофизике, механике деформируемого твердого тела, композитным материалам, методам диагностики газодинамических физико-химических процессов.
Прикладная механика и техническая физика : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2007 .— №5 .— 186 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200365 (дата обращения: 24.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

48, N-◦ 5 3 УДК 533.9 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД В НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ ИОННО-ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ: ТОЧНОЕ РЕШЕНИЕ <...> А. Е. Дубинов Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 607188 Саров E-mail: dubinov@rol.ru Получено точное решение задачи о структуре ионно-звуковой волны в плазме. <...> Построены кривые, ограничивающие в пространстве параметров область существования стационарной уединенной ионно-звуковой волны. <...> Распространение ионно-звуковых волн, являющееся одним из основных волновых процессов в плазме, изучается на протяжении нескольких десятилетий. <...> В последнее время газодинамический подход используется для изучения ионнозвуковых и пылезвуковых волн [5–8]. <...> При этом уравнение состояния газа принимается в виде адиабаты с произвольным показателем γ+ в диапазоне γ+ ∈ [1; 3]. <...> В данной работе впервые приводится точное решение задачи о структуре ионнозвуковой волны в плазме в рамках газодинамического подхода для любых значений γ± в диапазоне γ± ∈ [1; 3]. <...> Параметры электронного компонента невозмущенной плазмы обозначим следующим образом: m− — масса частиц (в дальнейшем полагается, что электроны безынерционны, т. е. m− → 0), e < 0 — заряд частиц, T0− — температура, γ− — показатель адиабаты, P− — давление; параметры ионного компонента: m+ — масса частиц, −e > 0 — заряд частиц, T0+ — температура, γ+ — показатель адиабаты, P+ — давление, v+ — скорость. <...> В силу условия квазинейтральности концентрации частиц обоих знаков заряда в невозмущенной плазме n0± = n0 . <...> (9) Следует отметить, что в системе отсчета, связанной с волной, невозмущенная плазма движется со скоростью −M в противоположном направлении. <...> Иными словами, невозмущенная плазма не пересекает эту границу. <...> Теория нелинейных волн пространственного заряда в нейтрализованных электронных потоках: газодинамический подход // Физика плазмы. <...> Поступила в редакцию 17/X 2006 г. ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. <...> V CV ∂ρ В силу того что концентрация фотонов определяется <...>
Прикладная_механика_и_техническая_физика_№5_2007.pdf
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2007. Т. 48, NУДК 533.9 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД В НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ ИОННО-ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ: ТОЧНОЕ РЕШЕНИЕ А. Е. Дубинов Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 607188 Саров E-mail: dubinov@rol.ru Получено точное решение задачи о структуре ионно-звуковой волны в плазме. При этом оба компонента плазмы рассматриваются как газы с заданными начальными температурами и показателями адиабаты. Система уравнений, описывающих профиль волны, решена с помощью оригинального метода, состоящего в сведении ее к уравнению Бернулли. Приведен численный пример полученного общего решения задачи о профиле волны при произвольных параметрах. Построены кривые, ограничивающие в пространстве параметров область существования стационарной уединенной ионно-звуковой волны. Ключевые слова: плазма, ионно-звуковая волна, нелинейная теория. Введение. Распространение ионно-звуковых волн, являющееся одним из основных волновых процессов в плазме, изучается на протяжении нескольких десятилетий. Нелинейная теория этих волн впервые рассмотрена в работах [1, 2], в которых методом механической аналогии (в иностранной литературе — методом псевдопотенциала) изучены их основные особенности. Установлено, что стационарные волны могут существовать в виде периодической или уединенной волны, причем скорость волны ограничена сверху значением, приблизительно в 1,58 раза превышающим скорость линейного ионного звука. В работе [3] найдено точное выражение для предельной скорости. При этом в [1–3] считалось, что ионный компонент плазмы холодный, а электронный — изотермичен и безынерционен. В дальнейшем нелинейная теория была развита в многочисленных работах, в которых учитывались влияние ионной температуры, наличие двух и более сортов ионов, в том числе отрицательных, наличие двух групп электронов с различной температурой, инерция электронов и т. п. (подробнее об этом см. [4]). В перечисленных и большинстве других работ считалось, что нагретые компоненты плазмы вовлекаются волной в изотермический процесс, т. е. их температура постоянна. Такое упрощение оставляет открытым вопрос о внешнем источнике или стоке тепловой энергии, поскольку изотермический процесс обязательно сопровождается поступлением энергии при сжатии потока плазмы и выделением энергии при его разрежении. Таким образом, при описании нелинейных волн в плазме более реалистичными являются модели, в которых процесс считается адиабатическим. Такой подход позволяет учесть изменение температуры в различных фазах волны, а также влияние этого изменения на формирование и свойства самой волны. В последнее время газодинамический подход используется для изучения ионнозвуковых и пылезвуковых волн [5–8]. В работах [5–8] проведен анализ нелинейных уравнений, описывающих структуру волн, в рамках адиабатического подхода, когда ионный или пылевой компонент плазмы представляет собой газ. При этом уравнение состояния газа принимается в виде адиабаты с произвольным показателем γ+ в диапазоне γ+ ∈ [1; 3]. ◦ 5 3
Стр.1
4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2007. Т. 48, N◦ 5 В результате анализа определены границы режимов и предельные скорости волны. Однако в [5–8] не было получено общее точное решение задачи о профиле волн (как известно, анализ свойств решения можно проводить, не решая сами уравнения), хотя в работе [5] приведено точное решение для частного случая холодных ионов с показателем адиабаты электронного компонента γ− = 2. В данной работе впервые приводится точное решение задачи о структуре ионнозвуковой волны в плазме в рамках газодинамического подхода для любых значений γ± в диапазоне γ± ∈ [1; 3]. 1. Исходные уравнения и обозначения. Будем считать, что плазма является безграничной, бесстолкновительной, однородной и содержит только электроны и однозарядные ионы. Параметры электронного компонента невозмущенной плазмы обозначим следующим образом: m− — масса частиц (в дальнейшем полагается, что электроны безынерционны, т. е. m− → 0), e < 0 — заряд частиц, T0− — температура, γ− — показатель адиабаты, P−—давление; параметры ионного компонента:m+—масса частиц, −e > 0— заряд частиц, T0+ —температура, γ+ —показатель адиабаты, P+ —давление, v+ —скорость. В силу условия квазинейтральности концентрации частиц обоих знаков заряда в невозмущенной плазме n0± = n0. Возмущенные в волне параметры будем записывать без индекса 0. Запишем одномерные уравнения, определяющие динамику ионного компонента плазмы: — уравнение непрерывности — уравнение движения m+ — уравнение Пуассона ∂2ϕ ∂x2 = 4πe(n+ −n−) P+ = kT0+n0(n+/n0)γ+ (3) (ϕ — электростатический потенциал). Систему уравнений (1)–(3) дополним уравнением состояния ионного газа, описывающим адиабатический процесс: (4) (k — постоянная Больцмана). В уравнении Пуассона (3) необходимо учесть вклад электронного компонента, который аналогично (4) будем описывать в рамках предположения об адиабатичности процесса. Тогда, записав уравнение динамики электронного газа в виде (2), где масса электронов стремится к нулю вследствие их безынерционности, можно вывести уравнение, связывающее концентрацию электронов с электростатическим потенциалом. В результате получим (см. [9]) n− = n0 1− Легко убедиться, что при γ− → 1 уравнение (5) переходит в экспоненциальное распределение Больцмана. γ− −1 γ− kT0− частота, vs — линейная скорость ионного звука: λD = γ−kT0− 4πn0e2 , ω+ = Введем следующие обозначения: λD — дебаевская длина, ω+ — ионная плазменная 4πn0e2 m+ , vs = γ−kT0− m+ . eϕ 1/(γ−−1) . (5) ∂n+ ∂t + ∂ (n+v+) ∂v+ ∂t +v+ ∂v+ ∂x ∂x = 0;  = e ∂ϕ ∂x − 1 n+ ∂P+ ∂x ; (1) (2)
Стр.2
А. Е. Дубинов Для уравнений (1)–(5) удобно также ввести следующие нормировки: n± = n0n ±, T± = T0−T ±, ϕ = (γ−kT0−/e)ϕ, v± = vsv 5 ±, x = λDx, t = ω−1 + t. Следует отметить, что размерный потенциал ϕ и безразмерный потенциал ϕ имеют разные знаки, так как e < 0. В дальнейшем штрихи у безразмерных величин опускаются. Таким образом, систему уравнений (1)–(3) с использованием уравнений состояния (4), (5) можно записать в безразмерном виде ∂n+ ∂t + ∂ (n+v+) ∂v+ ∂t +v+ ∂v+ ∂x = ∂ϕ ∂x − γ+ −1 ∂x = 0, τ ∂x (nγ+−1 + ), ∂ ∂2ϕ ∂x2 = n+ −[1−(γ− −1)ϕ]1/(γ−−1), где τ = γ+T0+/(γ−T0−). 2. Стационарное решение уравнений. Рассмотрим стационарную ионно-звуковую волну, распространяющуюся в направлении x с безразмерной скоростью M (M — число Маха). Для этого введем автомодельную переменную ξ = x−Mt, ∂t = −M d ∂ dξ , ∂x = d ∂ dξ . Это означает переход из лабораторной системы отсчета в новую систему, движущуюся вместе с волной. В результате система уравнений в частных производных (6) сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений −Mdn+ −Mdv+ dξ +v+ dξ + d (n+v+) dv+ dξ = dϕ dξ − γ+ −1 dξ = 0, τ dξ (nγ+−1 + ); d d2ϕ dξ2 = n+ −[1−(γ− −1)ϕ]1/(γ−−1). (7) (8) Прежде чем перейти к решению данной системы, рассмотрим известные методы решения подобных систем. Наиболее часто используется метод псевдопотенциала [1, 2], который заключается в интегрировании уравнений непрерывности и движения, получении из интегралов зависимостей концентрации и скорости ионов от потенциала и подстановке этих зависимостей в уравнение Пуассона. В результате получается автономное дифференциальное уравнение второго порядка для потенциала, которое имеет вид уравнения движения некоторого осциллятора в одномерном псевдопотенциале, причем электростатический потенциал используется в качестве псевдокоординаты, а координата — в качестве псевдовремени. Другой метод разработан в [10] и состоит в исключении из системы уравнений концентрации ионов и потенциала и сведении ее к уравнению второго порядка относительно скорости ионов. Решение и анализ этого уравнения также проводятся методом псевдопотенциала, однако в качестве псевдокоординаты используется скорость ионов. Существует также метод, описанный в работах [11, 12], в соответствии с которым из уравнений исключаются потенциал и концентрация ионов, при этом система сводится к уравнению третьего порядка относительно скорости. Полученное уравнение исследуют с помощью фазового портрета. Авторам данной работы не удалось использовать перечисленные методы для решения уравнений (7), (8). (6)
Стр.3