Структуры и динамика ударных волн в слабоионизированной плазме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Теселкин, Сергей Федорович

• Теселкин, Сергей Федорович
• кандидат физико-математических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Теселкин, Сергей Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИШКИ

УДАРНЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ

§ I. Вводные замечания. 4Н

§ 2. Ударные волны в полностью ионизованной плазме . 4?

§ 3. Ионизующие ударные волны.

§ 4. Ударные волны в слабо и частично ионизованных газах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структуры и динамика ударных волн в слабоионизированной плазме»

Актуальность. Физика ударных волн развивалась практически на протяжении всего текущего столетия. В настоящее время она превратилась в самостоятельную область физических исследований, имеющую как фундаментальное научное, так и важное прикладное значение. Причем, как и на ранних этапах, сегодня теоретическое рассмотрение явлений остается здесь доминирующим.

Особое место занимает изучение физики сильных разрывов в плазме, интенсивно развивающееся начиная с 50-х годов вплоть до настоящего времени. Необходимость в исследовании ударных волн (их динамики и структуры) в плазме возникает при изучении большого числа физических явлений. Таковыми могут быть: различные виды электрического пробоя газов (в постоянном и переменных полях ВЧ, СВЧ и оптического диапазона; пучковый пробой); прохождение пучков заряженных частиц через плазму и нейтральные газовые среды; нагрев и сжатие вещества в ряде установок УТС, Z и 9 -пинчи, плазменный фокус и т.п.; сильные взрывы; прохождение метеоритов в атмосфере; наконец, целый ряд астрофизических задач,связанных с нестационарными явлениями в звездах. Все перечисленные процессы объединяет то, что в них сильные разрывы гидродинамических переменных (плотности, скорости, температуры и т.д.) распространяются по ионизованному газу, нагревая и сжимая его. Важно при этом знать, как быстро происходит сжатие вещества, его нагрев и ионизация, какие процессы играют роль в диссипации энергии направленного движения, как поляризуется плазма и как меняются концентрации отдельных компонент во фронте ударной волны. Исследование структуры и динамики ударных волн позволяет дать ответы на эти вопросы.

Несмотря на отмеченный выше непреходящий в течение последних лет интерес к ударным волнам в плазме, некоторые стороны вопроса оказались к настоящему времени недостаточно изученными как теоретически, так и экспериментально. В частности, это касается явлений, возникающих при взаимодействии ударных волн с неравновесной плазмой. Слабо изучены структуры и динамика сильных разрывов в частично и слабоионизованной плазме в магнитном поле.

Дель исследований. Данная работа посвящена теоретическому исследованию стационарных и динамических структур ударных волн малых и умеренных амплитуд в неравновесной и магнитоактивной слабоионизованной плазме. Изучаются структуры ударных волн в температурно-неравновесной плазме постоянно-токового, ВЧ, GB4 и оптического разрядов. Проводится анализ многообразия структур разрывов магнитогидродинамических величин для ударных волн в слабоионизованной магнитоактивной плазме. Исследуется степень влияния крупномасштабных структур заряженной компоненты на обшую динамику и структурные особенности диссипации импульса и энергии в ударной волне.

Мзтод исследования. Изучение свойств ударной волны в слабоионизованной неравновесной магнитоактивной плазме проводилось на основе аналитического метода иерархии характерных масштабов, применяемого к уравнениям двухжидкостной гидродинамики плазмы V и базирующегося на существующем значительном различии характерных времен диссипативных процессов в плазме. Поведение нейтральной компоненты при этом считается здцанным или же подверженным незначительному возмущающему воздействию крупномасштабных плазменных структур.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов обеспечиваются корректностью применения использованного метода в случае значительного разнесения характерных масштабов различных диссипативных процессов, что справедливо для типичных значений параметров газоразрядной плазмы, и подтверждаются также их сопоставлением с результатами других теоретических работ и имевдимися немногочисленными данными эксперимента.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

I. Проведено теоретическое исследование стационарных структур ударных волн конечной интенсивности в слабоионизованной плазме одноатомных газов с источником неравновесности в виде электрического разряда в поле как низкой, так и высокой частоты. При этом обнаружены:

- предвестник ударной волны в виде волн разрежения заряженной и нейтральной компонент, опережающий фронт ударной волны на расстояние порядка (тп/те)A/z 6п где Ел - длина свободного пробега тяжелых частиц газа, тй, - массы электронов и нейтралов, соответственно;

- амбиполярный диффузионный предвестник ударной волны, распространявшейся в сильно неизотермической плазме (Те» TL~ Тп). Протяженность области сильного сжатия заряженной компоненты при этом составляет ~ (ТеАа)£л. С ростом степени ионизации газа скачок уплотнения нейтральной компоненты быстро размывается;

- эффект замедленной рекомбинации температурно-неравновесной плазмы протяженного поперечного разряда при прохождении ударной волны.

Определены условия существования однородной электронной температуры на всем протяжении ударной волны, а также критерии слабой ионизации плазмы, т.е.- слабого обратного воздействия крупномасштабных движений заряженной компоненты на поведение нейтральной.

2. Проведен анализ стационарных структур конечных по интенсивности ударных волн в магнитоактивной слабоионизованной плазме. В частности:

- обнаружено существование вынужденных магнитогидродинами-ческих ударных волн, в том числе спиральных;

- обнаружены двухступенчатые скачки плотности заряженной и нейтральной компонент в замагниченной плазме при наклонном к направлению однородного магнитного поля падении ударной волны;

- определены профили сжатия заряженной компоненты и магнитного поля под действием ударной волны. Представлен критерий слабой ионизации магнитоактивной плазмы, при нарушении которого фронт ударной волны растягивается на характерную длину диффузии заряженных частиц в магнитном поле.

3. Исследована динамика установления стационарных структур в ударной волне, определены характерные времена их установления. Критерий слабой ионизации, полученный из решения динамической задачи, совпадает с полученным исходя из учета обратного воздействия заряженной компоненты на нейтральную.

4. Для сильноточного самосжатого нескинированного разряда (Z - пинча) установлен критерий возникновения областей с инверсной направленностью тока - так наз. обратных токов. Критерий получен на основе исследования процесса кумуляции ударных волн в Z - пинче.

Научная и практическая ценность. Результаты исследований, проведенных в диссертации, могут быть использованы:

1) при анализе взаимодействия нелинейных гидродинамических волн с температурно-неравновесной плазмой газового разряда;

2) при постановке экспериментов по наблюдению эффективного уширения скачка плотности ударной волны в сильно неизотермической слабоионизованной плазме как в отсутствие, так и при наличии внешнего магнитного поля;

3) при анализе магнитогидродинамических движений, возникающих в сверхзвуковых потоках в лабораторной плазме, а также в верхних слоях атмосферы и ионосфере;

4) при изучении динамики и структурных особенностей не-скинированного 2 - пинча.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. В сильно неизотермической слабоионизованной плазме ударная волна имеет протяженный предвестник в виде области сильного сжатия заряженной компоненты, вынесенной от фронта на расстояние порядка Tg/T^ длин свободного пробега тяжелых частиц;

2. При нарушении критерия слабой ионизации вязкий скачок уплотнения нейтральной компоненты ударной волны уширяется в раз.

3; Ударной волне в температурно-неравновесной слабоионизованной плазме разряда в низкочастотном электрическом поле предшествует область слабого разрежения и ускорения плазмы. С увеличением степени ионизации увеличивается и степень разреженности в этой области.

4. Ударной волне в замагниченной слабоионизованной плазме при наклонном к магнитному полю падении предшествует двухступенчатый скачок плотности заряженной и нейтральной компонент. Малая амплитуда скачка плотности нейтралов увеличивается с ростом магнитного поля при фиксированной степени ионизации, а также с ростом степени ионизации при фиксированном магнитном поле.

5. В плазме с замагниченными электронами и незамагниченными ионами перед ударной волной распространяется область вращения вектора магнитного поля, имеющая характерный размер длины .диффузии магнитного поля - Ле . Вращение происходит в процессе удаления от фронта в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, и затухает на расстояниях ~ Ag .

Апробадия работы. Материалы диссертации докладывались на 11-ой Международной конференции "Явления в ионизованных газах", Дюссельдорф, 1983 г.; П Всесоюзной Школе-Конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах", Москва, 1984 г.; межфакультетском семинаре "Взаимодействие гидродинамических возмущений с неравновесными средами и поверхностями твердых тел" в МГУ; семинарах лаборатории физики плазмы ИОФАН СССР; семинарах физического факультета МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 4 статьи в центральных научных журналах, тезисы доклада на международной конференции.

Краткое содержание по главам

В первой главе содержится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных ударным волнам в плазме. Подробно освещается современное состояние исследований по физике ударных волн в полностью и частично ионизованной равновесной плазме. 06-суздаются достоинства и недостатки моделей, используемых теорией; Необходимость рассмотрения кинетики ионизации в ударных волнах в частично ионизованной плазме определила подробный анализ работ, посвященных ионизующим ударным волнам.

На основании анализа теоретических и экспериментальных литературных данных были сформулированы следующие основные задачи исследований:

1) провести изучение стационарных структур ударных волн умеренных амплитуд в температурно-неравновесной слабоионизован-ной плазме;

2) исследовать установившиеся магнитогидродинамические структуры движений, вызываемых ударной волной умеренной амплитуды в магнитоактивной слабоионизованной плазме;

3) проанализировать динамику установления стационарных структур. Изучить возможность значительного упшрения зоны диссипации импульса и кинетической энергии сверхзвукового потока, связанного с ударной волной;

4) изучить динамику нескинированного самосжатого сильноточного разряда с целью выяснения природы обратных токов в нестационарном z - пинче;

5) определить оптимальные условия для экспериментального обнаружения ожидаемых результатов.

Во второй главе проведено исследование стационарных квазинейтральных одномерных структур ударных волн в слабоионизованной неизотермической плазме электрического разряда в газе. Источником температурной неравновесности при этом служит электрическое поле. Рассмотрены как низкочастотный и)0 «• , так и высокочастотный и)0 » , где <J0 - частота поля, а

- частота е-п столкновений, случаи. В последнем пределе высокочастотное электрическое поле меняет электронные коэффициенты переноса, что сказывается на структурах разрывов.

Смысл приближения слабой ионизации, в котором проведено рассмотрение задачи, состоит в том, что профили изменения параметров нейтральной компоненты задаются хорошо известными структурами обычных газодинамических ударных волн. Кроме того, для поисков крупномасштабных структур заряженной компоненты с хорошей степенью точности их можно аппроксимировать ступенчатыми функциями. В такой постановке задача значительно упрощается: требуется найти стационарный "отклик" заряженной компоненты на заданное стационарное ступенчатое "воздействие" нейтральной. Затем по схеме теории возмущений определяется обратное воздействие крупномасштабных движений плазмы на нейтральную компоненту. Эту процедуру можно проводить только в том случае, когда остается малым параметр слабой ионизации. При нарушении этого условия скачок уплотнения нейтралов может существенно размываться.

Далее показывается, что можно еще более упростить задачу, если воспользоваться хорошо известным методом иерархии масштабов (см., например,/1,2/), основанном на сильном различии в характерных временах диссипативных процессов в ударной волне.

Квазинейтральные крупномасштабные .движения плазмы в ударной волне с хорошей степенью точности описываются уравнениями двух-жидкостной гидродинамики: уравнениями Навье-Стокса для нейтральной компоненты и одножидкостной гидродинамики для заряженной компоненты, рассматриваемой как квазинейтральное целое с учетом связи компонент через трение ионов на нейтралах. Кроме того, в уравнениях необходам учет ионизации и рекомбинации.

В плазме одноатомных газов с достаточно плотной электронной компонентой (l\le ^ I + 3 • I0*3 см"*3) радиационными и прочими двухчастичными процессами при рекомбинации можно пренебречь по сравнению с трехчастичной рекомбинацией с участием электрона в качестве третьей частицы. В этих условиях удается дать наглядное, а в случае достаточных степеней ионизации оС = >,

КЛ4 * КГ3 (для газов при давлении р ^ i тор ) верное в количественном отношении представление о процессах, происходящих в ударных волнах в температурно-неравновесной слабоионизованной плазме.

При наличии внешнего электрического поля (разряд постоянного тока; ВЧ, СВЧ и оптический разряды) создается температурно-неравновесная плазма с горячими электронами (Те»Т я; Т^ ). Приход ударной волны в область действия источника неравновесности в общем случае меняет вклад энергии в плазму, причем по-разному для низкочастотного ( с0о « Уеп) и высокочастотного ( » ) случаев.

На примере двух газов ( Аг и № ), у которых сильно различаются температурные зависимости сечений упругих столкновений электронов с нейтралами, для низкочастотного поля получены профили изменения температуры электронов в ударной волне. Как и следовало ожидать, масштаб изменения электронной температуры согласуется с протяженностью т.н. теплопроводностных предвестников ^ (мп/ме) » где М/ ~ масса частиц сорта „J", £п - длина свободного пробега нейтралов. Из результатов следует существенная несимметричность профилей температуры электронов относительно скачка плотности заряженной компоненты: остывание электронов происходит в основном перед фронтом. Неоднородность электронной температуры вызывает слабое ускорение и разрежение плазмы (степень разрежения по порядку величины ~ (Тё/Т^ ^ . После зоны остывания идет более протяженная область рекомбинации плазмы с возможным тушением разряда.

В том случае, когда выполняется условие замедленной рекомс /т л(4) V4 Л0) A(i) А0) Л(4) бинации: Л^ tion/Tei » Л^» Да , где , йрек} - характерные размеры зон, соответственно, температурной релаксации, рекомбинации, амбиполярной диффузии, £ion~ эффективный потенциал ионизации, профиль охлаждения электронов определяется уже не теплопроводностью, а совместным действием рекомбинации и температурной релаксации.

Для высокочастотного разряда ( >> ) показана возможность создания однородной электронной температуры в ударной волне. Рассчитываются профили электронной температуры в специальном случае поперечного разряда с экранированием разрядного поля за фронтом ударной волны. Температура электронов, соответствующая месту положения скачка плотности в ударной волне, возрастает с увеличением частоты поля в связи с подавлением электронной теплопроводности в высокочастотном поле.

Далее детализируется структура скачка плотности плазмы в ударной волне на фоне почти однородной электронной температуры. Получены диффузионные профили сжатия и скорости плазмы, которые говорят о существовании протяженной зоны сжатой плазмы впереди фронта волны на расстоянии, в Те/Та раз превышающем длину свободного пробега тяжелых частиц.

На основе уравнений Навье-Стокса с учетом трения ион-нейтрал, исследовано возьцущакхцее действие крупномасштабных плазменных движений на нейтральную компоненту. Получены профили слабых возмущений, предшествующих ударной волне. Определен параметр слабой ионизации, малость которого является условием применимости избранного подхода: ^ ос Те/Т^« I, нарушение этого критерия может повлечь за собой сильное возмущение всей структуры самой ударной волны.

В заключение главы проведены расчеты диффузионных структур слабоионизованной вырожденной по электронной компоненте плазмы при разрывном движении нейтралов.

В третьей главе исследуются структуры установившихся движений заряженной компоненты в сильном магнитогидродинамическом разрыве в слабоионизованной магнитоактивной плазме. Заранее очевидно, что в магнитоактивной плазме будут существовать различные виды предвестников ударной волны. Характерные скорости распространения возмущений оказываются значительно превосходящими скорость фронта умеренных по амплитуде ударных волн. Тем самым создаются условия для формирования стационарных, опережающих фронт профилей изменения параметров плазмы.

Для изучения квазинейтральных крупномасштабных движений плазмы в ударной волне использовались уравнения одножидкостной гидродинамики в сильноетолкновительном пределе и) « , где-и) - характерная частота процесса, ^п - частота L-H столкновений. Поведение нейтральной компоненты аппроксимируется ступенчатыми функциями. Задача решается для произвольной ориентации магнитного поля методом иерархии временных масштабов, выделяются три характерных случая:

I. Полностью замагниченная плазма где - циклотронные частоты частиц сорта nJ'. "). В этом пределе структура сжатия заряженной компоненты имеет двухступенчатый профиль. Сначала от невозмущенного значения плотности (степень сжатия = I) на характерной длине диффузии заряженной компоненты в магнитном поле Ла = (Уа /VTi) 4 » где

К= Bz/(WmA)

Уп - тепловая скорость ионов, 4 ~ длина свободного пробега тяжелых частиц, происходит уплотнение плазмы до степени сжатия ' fa + ctfe< где fa - значение степени сжатия в равновесном состоянии за фронтом, - угол медцу направлением распространения ударной волны и вектором магнитного поля. Последующий переход от ^ к осуществляется в так называемом изомагнитном скачке: несмотря на сжатие плазмы магнитное поле остается неизменным.

При увеличении степени ионизации становится ощутимым обратное воздействие заряженной компоненты на нейтральную, а в том случае, когда параметр слабой ионизации ~ становится сравнимым с единицей, фронт ударной волны может существенно размываться, и структура его повторяет качественно структуру скачков сжатия заряженной компоненты.

2. Плазма с незамагниченными ионами ( ^ /Sii>:> ^ ) и за~ магниченными электронами ( ^en/Sle^ ) • Этот предел характеризуется осциллирущим поведением составлящих магнитного поля, перпендикулярных направлению распространения волны. В процессе удаления от фронта осцилляции затухают на расстоянии ~Ag - глубине диффузии магнитного поля (с - скорость света в вакууме, 6Г- проводимость плазмы). Таким образом, профиль изменения магнитного поля в ударной волне определяется вращением вектора магнитного поля с шагом л - Ь (1 * . bde cos V 4€rt '

Такое поведение магнитного поля в ударной волне объясняется геликонным характером вынесенного предвестника. Например, для продольных геликонов в движущейся со скоростью VJ системе координат дисперсионное уравнение выглядит следующим образом

В.2) и)' - К V, = • иь i I

Если интересоваться стационарным профилем, то, положив - О, определим из (В.2) длину стационарных осцилляций А = AgSie/^n что совпадает с (B.I).

3. Незамагниченная плазма ( >> i, ^in/Qi >> t ).

Этому пределу соответствует опережающий ударную волну предвестник в виде области диффузионного проникновения магнитного поля на глубину ~ Ag от фронта.

Для всех перечисленных случаев определено в рамках теории возмущения по параметру слабой ионизации обратное воздействие движений заряженной компоненты на поведение нейтральной.

В четвертой главе изучается динамика образования некоторых из стационарных предвестников, исследованных во второй и третьей

главах. Определяется в каждом случае доля потока энергии ударной волны, уходящая в предвестник.

Для случая амбиполярного диффузионного предвестника в тем-пературно-неравновесной плазме решается нелинейная (для конечных амплитуд ударных волн) гранично-начальная задача о вдвижении поршня в плазму. Стадия излучения волны сжатия заряженной компоненты (со скоростью ионного звука) от поршня сменяется через время t » \ftn на диффузионную стадию установления предвестника. Время образования стационарной структуры ~ (Те/Та) ^ . Доля потока энергии в предвестник составляет величину ~<xTe/Ttt . Условие слабого влияния плазмы на ударную волну, таким образом, совпадает с критерием слабой ионизации, полученным из результатов решения стационарной задачи.

Решается линеаризованная гранично-начальная задача (для малых амплитуд ударной волны) об образовании диффузионного маг-нитозвукового предвестника, время установления которого оказывается - •

В заключение главы изучается динамика кумуляции ударных волн в плазме сильноточных самосжатых разрядов. Получены токовые структуры нескинированного разряда в условиях уз - вУ(#3/ро Установлен критерий возникновения в разрядном промежутке областей с инверсной направленностью тока - так называемых обратных токов. Теоретические результаты находятся в хорошем согласии с результатами экспериментов, проведенных на установке "Фотон".

ШВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКИ УДАРНЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ

§ I; Вводные замечания

В настоящее время в литературе имеется большое число работ, посвященных физике ударных волн в ионизованном газе* Это направление физических исследований сформировалось в конце 50-х годов и его бурное последущее развитие обусловлено широтой областей их применения: управляемый термоядерный синтез (УТС), электрический пробой в газовых средах, астрофизика и т.д. Интерес к этому разделу физики ударных волн к настоящему моменту не угас, напротив, он получает все новые стимулирующие импульсы как из эксперимента, так и из теории.

Ударная волна в плазме сжимает и нагревает ионизованный гапри этом важно знать, насколько быстро происходит уплотнение И- разогрев вещества во фронте волны, как быстро меняются его излучательные характеристики и степень ионизации, какими процессами. определяется диссипация энергии направленного движения плазмы. Особенностью сильных разрывов, распространяющихся по плазме, в отличие от ударных волн в нейтральных газах является то обстоятельство, что в плазме существует значительно I большее число диссипативных процессов и собственных волн, опре-делявдих в конечном итоге характер поведения ионизованного газа в ударной волне.

Кроме того, в плазме, в отличие от нейтральных газов, характерные размеры системы могут быть сравнимыми или же оказыва-. ются меньшими, чем характерные масштабы диссипативных процессов. х/ Исключение составляют ударные волны разрежения, характерные, для систем далеких от термодинамического (см., например /3/) и конфигурационного /4/ равновесия.

При этом изучают динамику распада сильных разрывов в плазме, что является, вообще говоря, крайне трудоемкой задачей из-за необходимости учета большого числа нестационарных процессов, ответственных за формирование структуры ударной волны. Однако, в раде ситуаций размеры плазмы оказываются настолько большими, что в процессе распада сильного разрыва или быстрого сжатия ионизованного газа успевает установится стационарный переход параметров плазмы (в сопутствующей системе координат, движущейся вместе с ударной волной). Тогда задача упрощается и сводится к последовательному рассмотрению характерных стационарных процессов на соответствующих масштабах, т.е. определению стационарной структуры ударной волны.

Наличие в плазме большого числа собственных волн и колебаний с сильно выраженными дисперсионными свойствами /5/ приводит к еще более ощутимому отличию физической ситуации, возникающей в ударных волнах в плазме, от процессов, формирующих ударные волны в нейтральных газах. Например, в сильнонеизотермической разреженной плазме (столкновениями частиц плазмы друг с другом можно пренебречь) при распаде сильных разрывов формируются т.н. бесстолкновительные ударные волны /6,7/, в которых характеризующие состояние плазмы параметры оказываются осциллирующими на масштабе электронного дебаевского радиуса. В настоящей же главе, как и везде ниже, речь будет идти о столкновительных ударных волнах, т.е. о случае, когда диссипативные процессы, связанные со столкновениями частиц, характеризуются значительно большими характерными масштабами в сравнении с электронным дебаевским радиусом - масштабом неквазинейтральности.

Задачи, связанные с распространением ударных волн в полностью ионизованной идеальной плазме, в настоящее время хорошо изучены. Это касается как динамических задач, так и стационарных. Соответствующий им краткий обзор литературы представлен в § 2 настоящей главы;

В последнее время проведены детальные исследования магнито-гидродинамических ударных волн. Изучались их структуры и динамика. Можно сказать, что большинство принципиальных вопросов физики стационарных ударных волн и их устойчивости в магнитоактив-ной полностью ионизованной плазме решено. Обзор основных результатов в этой области дан в § 2. Там же приведен краткий обзор работ по динамике магнитогидродинамических ударных волн.

Интенсивные ударные волны, распространящиеся по нейтральному газу, могут сами производить ионизацию - такие волны называются ионизующими, их исследование в настоящее время интенсивно развивается. В особенности это касается теоретических работ, посвященных ионизации газа ударной волной в магнитном поле. Во многом работы по ионизующим волнам стимулируются исследованиями скинированных линейных сильноточных излучающих разрядов, а также широким применением электромагнитных ударных труб. Обзор экспериментальных исследований, результатов и достижений теории иони-зукщих ударных волн приведен в § 3 настоящей главы.

Значительно меньше исследованы явления, происходящие в ударных волнах в слабо и частично ионизованных газах'. Связано это с тем обстоятельством, что сечения многих элементарных процессов в такой плазме являются сложными функциями температур, сильно зависят от рода газа, от наличия примесей, что существенно усложняет задачу. В § 4 проводится обсуждение результатов экспериментов и теории ударных волн в слабо и частично ионизованной плазме. Там же представлен краткий обзор исследований линейной акустики неравновесной слабоионизованной плазмы.

Однако, как следует из обзора литературы, совершенно не исследованными оказались явления, происходящие в ударных волнах

-/7в слабоионизованной плазме в условиях сильной неравновес^ности, хотя с такой плазмой чаще всего и приходится иметь дело в эксперименте. Кроме того, мало изученными оказались структуры сильных разрывов в магнитоактивной слабоионизованной плазме. Именно поэтому эти вопросы и исследуются в настоящей диссертации.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Теселкин, Сергей Федорович

Основные результаты диссертации достаточно полно изложены в следующих работах:

1. Авраменко Р.Ф., Рухадзе А.А., Теселкин С.Ф. О структуре ударной волны в слабоионизованной неизотермической плазме. -Письма в ЖЭИ, 1981, т.34, вып.9, с.485-488.

2. Рухадзе А.А., Теселкин С.Ф. О структуре возмущения слабоионизованной плазмы при разрывном движении нейтральной компоненты. - Ш, 1982, т.52, * II, с.2129-2133.

3. Данилов А.В., Теселкин С.Ф. Структуры предвестников ударной волны в слабоионизованной неизотермической магнитоактивной плазме. - Физика плазмы, 1984, т.10, вып.4, с.735-740.

4. Данилов А.В., Теселкин С.Ф. Механизм образование предвестника ударной волны, распространяющейся по слабоионизованной неизотермической плазме. - Вестник МГУ, сер.З, физика, астрономия, 1984, т.25, № 5, с.121-125.

5. Alexandrov A.F., Surov 0.I., Teselkin S.F., Timofeev I.В.

Current structures in the high current discharge, - Proc. th

11 Int.Gonf. Phenomena in ionized gases, Dusseldorf,1983, p.772-773

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Теселкин, Сергей Федорович, 1984 год

1.Б., Райзер Ю'.П. Физика ударных волн и высокотем-пературных гидродинамических явлений^ М.: Наука, 1966, с ,686'.

2. Имшенник B.C. Структуры ударных волн в плотной высокотемпературной плазме Физика Плазмы, 1975, т.1, JB 2, с.202-217.

3. Борисов АЛ1., Борисов Ал.А. Ударная волна разрежения вблизикритической точки жидкость-пар. Институт теплофизики С.О. АН СССР. /Препринт. В 59. - 16 с.

4. Исиченко М.'Б., Чукбар К;В. Ударная волна разрежения в системе с обращенным магнитным полем. Письма в ЖЭТФ, т.39, 1981/, в. 5, с.191-192.5*Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы.-Mi:Высшая школа, 1978, с.407.

5. Лифшиц Е.!М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.:Наука, 1979, с.527.

6. Гуревич А.В., Питаевский Л.П. Нелинейная .динамика разреженной плазмы и ионосферная аэродинамика. В сб.: Вопросы теории плазмы, М.:Атомиздат, 1980, т.10, с;3-87.

7. Зельдович Я.Б. Ударные волны большой амплитуды в воздухе -ЖЭТФ, 1957, т.32, В 5, C.II26-II35.

8. Шафранов В.Д. Структура ударной волны в плазме. ЖЭТФ, 1957, т.32, & 6, СЛ453-1459.

9. Jukes J.D. The structure of a shock wave in a fully ionized gas. J. Fluid Mech., 1957, v.3, N 2, p.275-282.

10. Tidman D.A. Structure of a shock wave in fully ionized Hydrogen. Phys. Rev., 1958, v.111, IT 6, p.1439-1446.

11. Greenberg O.W., Sen H.K., Treve У.Н. Shock wave and Solitary wave Structure inr.a Plasma. Phys. Fluids, 1960, v.3» U 5, p.769-785.13» Jaffrin M.Y., Probstein R.F. Structure of a Plasma Shock Wave-Phys. Fluids, 1964, v.7, N 10, p.1659-1674.

12. Жафрен М.И;, Пробстейн Р.Ф. Структура ударной волны в плазме'. 2урн.прикл;мех. и техн. физики, 1964, $ 6,с.6—22.

13. Greywall M.S. Limiting Mach number of an embeded ion shock. -Phys. Fluids, 1973, v.16, N 4, p.561-562.

14. Greywall M.S. Thickness of an embeded ion shock. Phys.

15. Fluids, 1975, v.18, N 11, p.1439-1442.

16. Брагинский С.И. Явления переноса в плазме. В сб.: Вопросы теории плазмы. М.:Атомиздат, I96S, т.1, с.183-272.

17. Abe К. Strong plasma shock structures based on Navier-Stokes equation. Phys. Fluids, 1975, v.18, N 9, p.1125-1130.

18. Greywall M.S. Honequilibrium effects on shock structures in fully ionized gas. Phys. Fluids, 1976, v.19, IT 12, p.2046-2047.

19. Ахиезер А.И., Любарский Г.Я., Половин P.B. Об устойчивости ударных волн в магнитной гидродинамике. ЖЭТ&, 1958, т.35, В 3, с.731-737.

20. Сыроватский С.И. Об устойчивости ударных волн в магнитной гидродинамике. ЖЭТФ, 1958, т.35, № 6, с.1466-1470.

21. Половин Р.В. Ударные волны в магнитной гидродинамике. -УВД, I960, т.72, В I, с.33-52.

22. Anderson J.E. Magnetоhydrodynamic Shock waves. Cambridge, Mass.: "MIT Press", 1963, p.

23. Гросс P.A., Чу С.К. Ударные волны в физике плазмы. -В сб.: Физика высокотемпературной плазмы. М.: Мир, 1972, с.339.

24. Ахиезер А.И., Ахиезер И.А., Половин Р.В., Ситенко А.Г., Степанов К.И. Электродинамика плазмы. М.:Наука,1974,с.719.

25. Ни P.N. Structure of a Perpendicular Shock Wave in Plasma. -Phys. Fluids, 1966, v.9, U 1, p.89-98.

26. Grad H., Ни P.N. Unified Shock Profile in a Plasma. Phys. Fluids, 1967, v.10, N 12, p.2597-2602.

27. Ни P.К., Grad H. Charge Separation effects on the profile of a perpendicular Shock wave. Phys. Fluids, 1972, v.15,p.402-412.

28. Taussing R.T. Magnet o-"hydrodynamic shock structure in a strong transverse magnetic field. Phys. Fluids, 1973, v.16, U 3,p.384-392.

29. Великович А.А., Либерман М.А. Ударные волны в поперечном магнитном поле. УФН, 1979, т.129, № 3, с.377-406.

30. Gross R.A. Physics of a Wall-Confined Fusion System. Nuel. Fusion, 1975, v.15, N 5, p.729-735.

31. Sandel F.b., Hiimura M., Robertson S.N., Gross R.A. Focusing of fast plasma shock waves. Phys. Fluids, 1975, v.18, N 8, p. 1075-Ю76.

32. Moriette P. Experimental Study of Strong Transverse Ionizing Shockwave. Phys. Fluids, 1972, v.15, К 1, p.51-55.

33. McHeill D.H. Electron heating in collisional shock. Phys. Fluids, 1975, v.18, U 1, p.44-49.

34. Robertson S.H., Chen Y.G. Some experimental studies of transversal plasma shock waves. Phys. Fluids, 1975, v.18, N 7, p.917-918.

35. Куртмулаев P.X., Масалов Ф;Л., Меклер К.И., Семенов В.Н. Ударная волна, распространяющаяся вдоль магнитного поля в бесстолкновительной плазме. ЖЭТФ, 1971, т.60, $ I, с.400-407.

36. Либерман М.А. Неравновесная ионизация и ударные волны в плазме. Докторская .диссертация, Институт физ. проблем АН СССР, 1982.

37. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. К вопросу о параметрах ионизующих ударных волн в магнитном поле. ДАН СССР, 1952,т.129, с.52

38. Леденев В.Г. О структуре ударных волн включения. Изв. вузов, Радиофизика, 1975, т.18, В II, с.1594-1597.

39. Coroniti F.V. Laminar wave-train structure of collisionless magnetic slow shocks. Kucl. Fusion, 1971, v.11, IT 3, p.261-283.

40. Либерман М.А. О включающих ударных волнах в полностью ионизованной плазме. ЖЭТФ, 1978, т.75, № 5, с.1652-1668.

41. Бракнер К., Джорна С. Управляемый лазерный синтез. -М.: Атомиздат, 1977, с.143.

42. Березин Ю.А. деленное исследование нелинейных волн в разреженной плазме. Новосибирск.: Наука, 1977, сЛ09.

43. Гизбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. -М.: Наука, 1975, с.255.

44. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизованные газы. М.: Мир, 1976, с.496.

45. Елецкий А.ВГ, Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизованной плазме. М.: Атомиздат, 1975,с.333;

46. Биберман ЛШ., Воробев B.C.," Лагаръков А.Н. и др. Течение воздуха за фронтом сильной ударной волны с учетом неравновесной ионизации и излучения^ Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, 1967, № 6, с.46-53.

47. Биберман Л.М., Миацаканян А.Х., Якубов И.Т. Ионизационная релаксация за сильными ударными волнами в газах. УФН, 1970, T.I02, № 3, с.431-462.

48. Enomoto Y. Wall Boundary layer effects on ionizing Shock Structure in Argon. J. Phys. Soc. Jap., 1973, v.35, N 5, p.1228-1233.

49. Pinegre M., Valentin P. In Shock Tubes and Shock waves Research Proc. 11th Symp. Seattle, 1977, Seattle; London, 1978, p.181-186.

50. Shanmugasundaram ¥., Murthy S.S.R. Structure of shock waves at re-entry speeds. J. Plasma Phy3., 1980, v.23, IT 1, p.43-70.

51. Gross R.A. Strong ionizing shock waves. Rev. Mod. Phys., 1965, v.37, N 4, p.724-743.

52. Виберман Л.М., Ворьбьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы'. М.: Наука, 1982,с.375.

53. Weymann H.D. Electron diffusion ahead of shock wave in Argon. Phys. Fluids, 1960, v.3, H 4, p.545-548.

54. Lederman S., Y/ilson D.S. MWRC mesurment of shock produced AIAA Journal, 1967, v.5, Я 1, p.70-77. electro precursor

55. Holmes L.B., Weymann H.D. Preconrsors ahead of shock waves: II. Photoionization. Phys. Fluids, 1969, v.12, IT 6, p.1200-1210.

56. Nelson H.F. Honequilibriurn structures of argon shock waves. -Phys. Fluids, 1973, v.16, p.2132.

57. ЗШхарева T.B., Васильев М.Г., Морозов Ю.Г. Исследование кинетики возбуждения, ионизации атомов аргона и кинетики нагрева электронного газа перед фронтом. ЖТФ, 1975,т.45, & 3, с.568-578;

58. Булычев А.Е., Преображенский Н.Г., Суворов А.Е., Яковлев

59. В.И. К вопросу о плотности электронов перед фронтом ударной волны в аргоне. ЖТФ, 1977, т.47, $ 9, с.1991-1992.

60. Барышников А.С., Бедин А.П., Масленников В.Г., Мишин Г.И. О неустойчивости фронта головной ударной волны.- Письма в ЖТФ, 1979, т.5, Л 5, с.281-284.

61. Барышников А.С., Скворцов Г.Е. Неустойчивость ударных волн . в релаксирущей среде. ЖТФ, 1979, Г.49, № II,с.2483-2485.

62. Рязин АШ. Ионизационная неустойчивость ударной волны в ксеноне. Письма в ЖТФ, 1980, т.6, № 9, с.516-520.67. йценкова Н.И. 0 механизме релаксационной неустойчивости в ударных волнах инертных газов. Письма в ЖТФ, 1980, т.6, М 21, с.I283-1288.

63. Бедин А.П., Мишин Г.Й., Скворцов Г.Е. Аномальная релаксация при сверхзвуковом течении многоатомных газов. Письма в ЖТФ, 1981, т.7, В 10, с.613-618. 69• Krishnamurthy М., Ramachandra S.M. Rarefied Gas D:',l. Techn.

64. Bighel L., Collins A.R., Cramer H.F. Heating and ionization in MHD switch-on shocks in partially ionized plasma. J. Plasma Phys., 1977, v.18, part 1, p.77-89.

65. Либерман M.A. К теории нормальных ионизующих ударных волн. ЖЭТФ, 1979, т.77, В I, с.124-143.

66. Gentle K.W., Ingard U. Mesurment of neutrals' temperature in geseous discharge -Appl. Phys. Letters, 1964, v.5,H.1,p.1С4-Ю8

67. Ершев Ail П., Васильев О.Г., Двинин С.А., Кузовников А.А.

68. В сб.: Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах. М.: МГУ, 1984, с.98.

69. Jaffrxn M.Y. Shock structure in a Partially Ionized Gases.

70. Phys. Fluids, 1965, v.8, N 4, p.606-625.

71. Shanmugasundaram Y., Murthy S.S.R. Structure of shock waves in partially ionized argon. J. Plasma Physics, 1978, v.20, part 3, p.419-451.

72. Greywall M.S., Kabadi J.U. Outer shock structure of shockwaves propagating in partially ionized gases. Int. J. Engin. Science, 1977, v.15, П 12, p.701-705.-/S3

73. Елецкий АЕ.В;, Смирнов Б.М. Элементарные процессы в плазме; -В кн.: Основы физики плазмы (под ред. Галеева A.AV, Судома Р.) М.:Энергоатомиздат, 1983, с.58-82.

74. Srinivasan J., Vincenti Yf.G. Criteria for acoustic instability in a gas ambient vibrational and radiation nonequilib-rium. Phys. Pluids, 1975, v.18, И 12, p.1670-1677.

75. Коган Е.Я., Мальнев B.H. Распространение звука в колебательно-возбужденном газе. ЖТФ, 1977, т.47, в.З, с.653-656.

76. Sharma Y.D. On the breakdown of Acceleration Waves in a Vib-rationally Relaxing gas. Acta Mechanica, 1982, v.44, p.121-126.

77. Климов АЖ, Коблов A.H., Мишин Г.И., Серов ЮЛ., Явор И.П. Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда. -Письма в ЖТФ, 1982, т.8, № 7, с.439-443.

78. Климов А.И., Коблов А'.Н., Мишин Г.И., Серов ЮЛ., Ходатаев К.В., Явор И.П. Распространение ударных волн в распадающейся плазме. Письма в ЖТФ, 1982, т.8, № 9, с.551-554.

79. Singh R.S., Sharma V.D. Amplification of Finite-Amplitude Waves in a Radiating gas. AIAA Journal, 1981, v.19, H 2, p.252-254.

80. Буянова E.A., Ловецкий E.E., Силаков В.П., Фетисов B.C. Стационарные ударные волны в неравновесном двухатомном газе. Химическая физика, 1982, т.2, № 12, с.1701-1703.

81. Рухадзе А.А., Силаков В.П., Чеботарев А.В. Распространение нестационарных ударных волн в колебательно-возбужденном азоте'. Краткие сообщения по физике (изд.ФИАН СССР), 1983, № 6, с.18-22.

82. Ingard Y. Ion Density and Electric Field Perturbations caused by an acoustic - wave pulse in a weakly ionized gas. -Phys. Fluids, 1968, v.11, N 3, p.688-689.

83. Williams M.H., Bienkowski G.K. Structures of a heavy ion shock in a weakly ionized gas. Phys. Fluids, 1979, v.22, XT 4, p.641-650.

84. Авраменко Р.Ф., рухадзе А.А., Теселкин С.Ф. О структуре ударной волны в слабоионизованной неизотермической плазме. -Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, & 5, с.485-488.

85. Schulz M., Ingard V. Acoustic wave propagation in a gas discharge. Phys. Fluids, 1969, v.12, N 6, p.1237-1245.

86. Цендин Л.Д. Влияние разогрева электронов на акустическую неустойчивость плазмы в электрическом поле. 1ТФ, 1965, т.35, « II, с.1972-1977.

87. Hasegawa М. Amplification of Sound Waves in Partially ionized gases. J. Phys. Soc. Jap., 1974, v.37, N 1, p.193-199.

88. Теселкин С.Ф. Звуковая неустойчивость двухтемпературной слабоионизованной плазмы. В сб;: Кинетические и газодинамическиепродессы в неравновесных средах /под ред. Прохорова A.M./ М.: Изд.МГУ, 1984, с.106-107.

89. Horawetz C.S. Nonlinear waves and shocks. Bombay: Tata institute of Fundamental research (Springer-Verlag), 1981, p.137.

90. Ю1. Гордаец Б.Ф., Осипов А.И., Шелеггин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980, с.510.

91. Ю4. Давыдов Б.И. 0 распределении скоростей электронов, .движущихся в электрическом поле. УФН, 1967, т.93, № 3, с.401-408;

92. Ю5. Гинзбург В;Л., Гуревич А.В. Нелинейные явления в плазме, находящейся в переменном поле; УФН, I960, т.70, № 2, с.201-218.

93. Ю6.Мак-Дональд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. -М.: Мир, 1969, с.205.

94. Ю7.Басс Ф.Г., Гуревич Ю.Г. Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда. М.: Наука, 1975, с.399.

95. Дьяков С;П. Ударные волны в бинарных смесях. ЖЭТФ, 1954, т^27, В 3, с.283-287.

96. Cowling T.G. The influence of Diffusion on the Propagation of Schock Waves. Phil. Mag., 1942, v.33, IT 216, p.61-68.

97. НО. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М.: Атомиздат, 1978, с.142.

98. Данилов А.В., Теселкин С.Ф. Структуры предвестников ударной волны в слабоионизованной неизотермической магнитоактивной плазме. Физика плазмы, 1984, т.10, № 4,с.735-740.

99. Ландау Л/.Д., Лифпшц Е.М. Механика сплошных сред. -М.: Гостехиздат, 1954, с.788.

100. ИЗ; Данилов А.В., Теселкин С.Ф. Механизм образования предвестника ударной волны, распространяющейся по слабоионизованной неизотермической плазме. Вестник МГУ, сер.З. Физика; Астрономия, 1984, Т.25, $ 5, с.121-125;

101. Вщфев В.В., Брагинский С.И. Динамика Z -пинча в сб.: Вопросы теории плазмы. - М.:"Атомиздат", 1880,т.10,с.243-318.

102. Березин. Ю.А., Хенкик П.В. Разлет плазменного сгустка по менее плотному плазменному фону ЖПМТФ, IS 82, J36, с. 37-40.

103. Ловецкий Е.Е., Поляничева А.Н., Фетисов B.C. Остаточная ионизация при разлете плазмы в вакуум ЖТФ, 1975, т.45, JS,с. 1041-1048.

104. Alexandrov А.P., Surov O.I., Teselkin S.F., Timofeev I.В. Current structures in the high-current discharge Proc. "И^11 Int. Conf. Phenomena in ionized gases, Diisseldorf, 1983,P.772-773.

105. Haines M.G. Inverse skin-effect Proc. Phys. Soc.,^9f5S,v.74, part 5, N.479, p.576-584. ITS. Александров A. Ф., Рухадзе A.A. Физика сильноточных электроразряцных источников света. М.:"Атомиздат" , 1376,с. 184.