книги из ГПНТБ / Филиппов Б.В. Аэродинамика тел в верхних слоях атмосферы

дуется проблема обтекания тел разреженной плвзмой с учетом электрических и магнитных полей, формируемых телом. Основное внимание уделено созданию конструктивных аналитических и численных методов расчета аэродинамических коэффициентов.

монография представляет интерес для научных работников и инженеров, занимающихся вопросами динамики разреженных

газов из нейтральных и заряженных частиц.

Ил.-9, библиогр.- 45 назв.

Предисловие

В настоящей работе представлены некодорые исследования по аэродинаыике сел, движущихся в верхних слоях атмосферы. В первых двух главах рассмотрены задачи свободномолекудярного обтекания тел газом из нейтральных частиц, когда основные трудности состоят в описании процессов взаиыодеВствия частиц с поверхностью тела. Развиваемая вдесь теория взаимодействия пучка с релаксирующим адсорбционным слоен может найти приме­ нение и для более слояных условий обтекания вплоть до незем­ ных и лабораторных. В последующих главвх представлен ряд исследований по аэродинамике тел в сильно разреженной плазме, когда существенно полевое взаимодействие частиц и тела. Рассмотрены задачи с учетом как электрических, так и магнит­ ных полей, формируемых телом.

При всех теоретических построениях автор сознательно ограничивался тем уровнем, когда предложенные методики можно было довести до аналитических формул либо до конструктивных алгоритмов. Практически все методики были доведены до программ и реализованы на ЭЦВМ. Часть результатов представлена в виде графиков.

_ ц _

Книга написана в основной по материален работ автора и сотрудников . Небольшой объем книги привел к тому, что в ней практически отсутствует исторический обзор. Подробный список литературы, посвященной вопросам взаимодействия ней­ тральных частиц с поверхностями и разреженной плазмы с телом, мояно найти в работах [lO,11,12,13 1 .

ОБТЕКАНИЕ ТЕЛ СВОБОДНОМОЛЕКУЛЯРНШ1 ПОТОКОМ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА

Введение

Не высотах до 800 кн основной составляющей атмосферы яв ­ ляется газ из нейтральных частиц. С высот ~150 кн движение тех происходит в ренине овсчЗодяомолекулярвого обтекания. В этом случае функцию распределения набегающего потока можно считать известной, если задано состояние невоамущенной атмосферы. Для отыскания аэродинамических коэффициентов выпуклых тел достаточ­ но знания механизмов взаимодействия частиц с поверхностью. Последние определяются не только сортом газовых частиц, физи­ ческой структурой тела и способом обработки его поверхности, но и состоянием последней в рассматриваемый момент времени. При обычных наземных условиях на поверхностях имеется адсорб­ ционный слой, который обычно настолько значителен, что пол­ ностью определяет характер взаимодействия газового потока о поверхностью.

При уменьшении плотности и при большое скоростях движе­ ния количество адсорбированных частиц, вообще говоря, умень­ шается, как за счет изменения условий баланса, так и га счет п выбивания" частицами потока, хотя и имеется конкурирующий

процесс возрастания потока частиц с увеличением скорости. При

- б -

атом возможно частичное очищение поверхности, чхо повлечет за собой изменение обмена импульсом и энергией потока с поверх­ ностью. Это объясняется тем, что характер взаимодействия час­ тиц с поверхностью (функция рассеяния) может сильно меняться в зависимости от того, встречаются ли частицы с чистыми участ­ ием! поверхности или с участками, занятыми адсорбированными частицами. Уже простейшие соображения говорят о том, что в потоках больших скоростей и разрежений очищение поверхности, состоящей из тяжелых атомов, ведет к уменьшению обмена энер­ гией и увеличения обмене импульсом, т . е . к увеличению коэффи­

циента сопротивления. Наряду с этим с ростом скорости падающе­ го на поверхность потока характер взаимодействия его с адсорби­ рованным своем может меняться. Из многочисленных экспериментов по рассеянию молекулярных пучков на различных поверхностях (например[lV-17J ) известно, что характеристики отраженного пучка существенно зависят от рода газа, скорости и угла паде­

тальных поверхностях имеется достаточно мощный адсорбционный слой. В этих случаях изменение характеристик рассеяния с изме­ нением условий можно объяснить только релаксационными явления­ ми. Часть ударяющихся о поверхность частиц покидают ее, сохра­ няя корреляцию с состоянием до столкновения. При постановке экспериментов по обтекании тел разреженным газом важно соблю­ дать подобие не только по числу Кнудсена, но и по параметрам взаимодействия с поверхностью. Многочисленные результаты экспе­ риментов по квазиравновеснай адсорбции показывают, что структу­ ра и состояние адсорбционного слоя оказывают сильное влияние

- 7 -

на характер взаимодействия газа с поверхностью. Приведем некоторые из них.

1 . Роберте и Ван Клив показали (см. [18] ) , что коэффи­ циент аккомодации энергии неона на вольфраме значительно боль­ ше, когда на поверхности имеются адсорбированные газы (водо­

ла сильно отличаются по своей химической активности. Скорость адоорбции и окисления для разных граней может отличаться в 100 раз. Например, после окисления в течение 50 мин монокрис­

была равна Ю°А, а на грани (311)-около 60 А. Поэтому поли­

разными интегральными характеристиками, так как по встречае­ мости кристаллографических граней они могут сильно отличаться друг от друга.

По теория квазиравновесной адсорбции написано большое количество журнальных статей и монографий, одно перечисление которых потребовало бы много места (см.библиографию в [20-22, 10,11] , тогда как исследований неравновесной адсорбции с неравновесными внешними условиями почти не имеется. Процесс

*) Данные ВЗЯТЫ ИЗ Young F.W.Jr., Cathcart J.V., Gwathemey A.Т. Acta Met., 4, 145 (194-6).

- 8 -

обтекания гел разреженным газом с учетом динамики адсорбцион­ ного слоя содержит специфические особенности по сравнению с процессом адсорбции при равновесных внешних условиях.

1, При увеличении энергии газовых частиц зависимость ос скорости вероятности адсорбции усиливается. Поэтому невозмож­ но удовлетвориться принятой в теории равновесной адсорбции схемой постоянного коэффициента прилипания. Процесс столкнове­ ния и релаксации частицы на поверхности приходится рассматри­ вать более детально.

2, При неравновесных процессах становятся особо суще­ ственными отдельные акты взаимодействия, которые и определяй! скорость процесса.

3, С увеличением энергии пучка включается механизм выбивания". Одновременно о этим происходит увеличение потока частиц на поверхность. Наличие двух конкурирующих факторов приводит к тому, что очищение поверхности с возрастанием ско­ рости пучка становится проблематичным.

Г Л А В А I

ВЫВОД И ИССЛЕДОВАНИЕ УРАВНЕНИЯ РЕЛАКСИРУЩЕГО АДСОРБЦИОННОГО СЛОЯ

§ 1 . Физическая постановка задачи

Многообразие явлений, сопровождающих адсорбцию, при различных комбинациях твердого вещества и газа столь велико, что не представляется возможным получить одно уравнение, де ­ тально описывающее процесс и пригодное для всех случаев. Одна-

- 9 -

ко, несмотря на ограничения, которые будут сделаны ниже при выводе уравнения, остается еще иного возможностей. Этот факт вырежется в наличии некоторых функций, описывающих динамику взаимодействия. При постановке конкретной задачи необходимо находить юс явное выражение. При кинетическом подходе важно четко определить факт адсорбции, т . е . отделять частицы, кото­ рые находятся в ударном взаимодействии с поверхностью, от адсорбировавшихся, так как последоваве поведение их определя­ ется разными факторами и параметрами. В дальнейшем будем счи­ тать, что ударявиаясн о поверхность частица адсорбируется, если ее состояние перестало быть коррелированным с состоянием до столкновения.

Сформулируем основные предположения.

1 . Формирование каждого следующего слоя начинается после заполнения предыдущего. Послойная адсорбция осуществляется при различии энергии связей адсорбированных частиц в разных слоях, что имеет место в больиинстве практически интересных случаев адсорбции атмосферных газов на твердых поверхностях £ б ] .

Это объясняется тем, что поле притяжения и хемосорбнрующие центры в таких ситуациях формируются подложкой.

2. Отсутствуют процессы разложения и соединения на по­ верхности, т . е . последняя не является катализатором и нет диссоциации и ионизации в результате удара. Эти процессы не рассматриваются здесь,чтобы не слишком загромождать схему вы­ вода, хотя последняя может быть распространена и на указанные случаи.

3. Адсорбированные частицы основное время находятся в квазиравновесных условиях с поверхностью. Время существова-