Open Access
Access granted
Subscription Access
Vol 63, No 2 (2025)
Plasma Investigations
Численное и экспериментальное исследование динамики образования свч-разряда с безыскровой лазерной инициацией
Abstract
Разработка, усовершенствование и научное исследование плазменного управления сверхзвуковыми потоками при обтекании тел являются актуальной задачей. Один из способов осуществить такое управление – это использование СВЧ-излучения с получением плазмы. Но при этом возникают проблемы: зависимость от появления редких электронов (осечки, смещение), долгий переход к филаментной фазе, высокий расход мощности излучения при высоких давлениях (и вхолостую до появления филамента). Известно, что лазерная инициация решает указанные проблемы СВЧ-плазмы. Однако недостаточно исследована динамика зажигания и развития СВЧ-разряда с лазерным следом без искры. В рамках данной работы проводится численное моделирование зажигания подкритического СВЧ-разряда (СВЧ-поле – 2.0 кВ/см, частота – 9.6 ГГц, длина импульса – 2.5 мкс) при лазерном импульсе (100 мДж, длительность – 10 нс, 532 нм) без лазерной искры в рамках модели плазмы, в том числе учитывающей лазерное воздействие на среду, плазму и возникающие газодинамические процессы. Проведено сравнение с экспериментом, выполненным в камере Эйфеля (40–75 Торр, 290 К) с магнетроном МИ-505 и лазером Quantel Evergreen-200. Проверка (время зажигания, теневая съемка) показала хорошие результаты. Разряд зажигается без осечек из-за прогрева СВЧ-полем лазерного следа с крайне быстрым (сотни нс) достижением высоких температур (1500–6000 К) и разрежением в следе (в 5–10 раз). Такая новая разновидность плазмы потенциально перспективна для плазменного управления сверхзвуковым потоком.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):163-174
163-174
Об особенностях взрывной эмиссии электронов при искровом разряде в вакууме
Abstract
На основе экспериментальных данных и численных оценок предложена качественная модель взрывной эмиссии электронов с поверхности катода в искровом разряде в вакууме. Показано, что учет токовой неустойчивости и особенностей зависимости плотности тока автоэмиссии от напряженности электрического поля позволяет указать возможный механизм рождения надтепловых частиц и допустить пульсирующий характер взрывной эмиссии. Сделано предположение, что взрывной центр (эктон) может состоять из целой серии более мелких вспышек электронной эмиссии, получивших название субэктоны.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):175-178
175-178
Радиальные и продольные потоки частиц в капиллярном разряде
Abstract
Исследована разрядная плазма капилляров с испаряющимися стенками, состоящими из СH2- или CF2-соединений, и выявлено различие процессов переноса в образующихся плазменных смесях. Рассмотрена картина взаимосвязи продольных и поперечных потоков во внутреннем пространстве капилляров, ключевым звеном которой является гидродинамический поток со стенок, обеспечивающий наполнение капилляра и формирование ускоренного продольного потока. На выходе из капилляра измерены параметры плазменной струи в центральной области, в которой преобладает почти полностью ионизованный легкий компонент исследуемых плазменных смесей. Благодаря этому выявлена интегральная по сечению плотность потока легкого компонента, подчиняющаяся стехиометрии материала стенки, что позволило найти общий поток плазмы. С его использованием из уравнения неразрывности определена плотность потока источника испаряющихся со стенок капилляра частиц, являющегося главным внешним параметром диффузионной задачи. Среднемассовая скорость у самой стенки капилляра оказалась невелика (6–15 м/с).
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):179-188
179-188
Рассеяние радиоволн сгустком низкотемпературной плазмы
Abstract
Сформулирован метод оценки эффективной площади рассеяния сгустка низкотемпературной плазмы в случае пространственно разнесенных передатчика и приемника. Проведено сравнение известного аналитического решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны на диэлектрическом шаре с результатами применения разработанного метода для однородного плазменного шара.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):189-192
189-192
Thermophysical Properties of Materials
Комбинированное уравнение состояния гексафторида урана при температурах до 600 К и давлениях до 25 МПа, включая критическую область
Abstract
Предложено комбинированное уравнение состояния для UF6 в реальных переменных (давление p, температура T, плотность ρ), позволяющее рассчитывать теплоемкости Cv, Cp и скорость звука W в явном виде в однофазных состояниях, включая критическую область. Это уравнение включает в себя регулярное уравнение состояния с 11 коэффициентами и масштабное уравнение состояния с шестью коэффициентами и регулярной переходной функцией, содержащей два подгоночных параметра. Коэффициенты уравнения состояния определены по массиву (p, ρ, T)-данных UF6 при 400 < T < 600 К и давлениях до 25 МПа, данные по теплоемкостям Cv, Cp, энтропии S и скорости звука W не привлекались, кроме зависимости изохорной теплоемкости Cv(T) в идеально-газовом состоянии. В регулярной области и на пограничной кривой рассчитаны величины Cv, Cp и W. Сравнение с экспериментальными и табличными значениями этих величин недоступно ввиду отсутствия таких данных, в критической области поведение этих расчетных свойств подобно их поведению для СО2. Среднеквадратичная погрешность описания давления sр = 0.97%. Расчетные величины энтропии совпадают с известными справочными данными в регулярной области до температуры 1100 К. В масштабном уравнении состояния применены универсальные критические показатели α, β, g в соответствии с трехмерной моделью Изинга. Сделан вывод о полезности предлагаемой модели уравнения состояния для расчетов теплофизических свойств UF6 с учетом подобия свойств UF6 и СО2 и отсутствия экспериментальных данных.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):193-200
193-200
Метод расчета линии фазового равновесия диоксида углерода с привлечением теории ренормализационной группы и уравнения Клапейрона–Клаузиуса
Abstract
Предложена модель линии фазового равновесия диоксида углерода, базирующаяся на уравнении Клапейрона–Клаузиуса и теории ренормализационной группы для асимметричных систем. В рамках модели линии фазового равновесия диоксида углерода разработана система взаимосогласованных уравнений для плотности насыщенной жидкости ρ+ = ρ+(T), плотности и давления насыщенного пара ρ– = ρ–(T) и ps = ps(T), «кажущейся» теплоты парообразования r* = r/(1 – ρ–/ρ+), где r – теплота парообразования. Эти уравнения согласованы по критическим индексам линии насыщения β и изохорной теплоемкости α, критическим параметрам pc, Tc и ρc, коэффициентам среднего диаметра fd, линии насыщения – D2β, D1–α и Dτ, которые определены на основе ренормализационной группы и соответствуют модели Янга–Янга: fd = D2βτ2β + D1–ατ1–α + Dττ, где τ = 1 – T/Tc. В рамках предложенной модели линии фазового равновесия наиболее надежные и точные экспериментальные данные Duschek и др. (1990) о ps, ρ+, ρ– передаются в пределах их неопределенности. При этом система взаимосогласованных уравнений описывает экспериментальные данные Duschek и др. (1990) о ρ+, ρ– с меньшей неопределенностью, чем известные уравнения линии насыщения СО2. В модели линии фазового равновесия использованы критические параметры диоксида углерода – ρc = 467.6 кг/м3, Tc = 304.1282 К, pc = 7.3773 МПа, которые совпадают с приведенными в работах Duschek и др. (1990), Span и Wagner (1996). Установлено, что fd = fd(T) – в рамках предложенного подхода строго убывающая функция температуры. Дополнительно исследовано поведение линии насыщения в окрестности критической точки в рамках предложенной модели системы взаимосогласованных уравнений и локальных уравнений (Span и Wagner) с привлечением параметра порядка fs и новых комплексов Z– = ((ρ–/ρc) – 1)/fs, Z+ = ((ρ+/ρc) – 1)/fs.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):201-211
201-211
Фазовые равновесия и критические свойства системы xН₂О + (1 – x)С₇Н₁₆ (х = 0.382 мол. долей)
Abstract
В работе представлены результаты экспериментального исследования фазовых переходов в системе xH2O + (1 – x)C7H16 для х = 0.382 мол. долей воды. Температуры фазовых переходов Тs и линии фазовых равновесий ρ(Т) получены по измеренным изохорной теплоемкости и температурной зависимости давления. Для данного состава х = 0.382 мол. долей измерения проводились по квазиизохорам ρ = const в интервале плотностей 169.7 ≤ ρ ≤ 399.7 кг/м3 и температур до 553 К, включая области фазовых переходов и критическую область. Определены параметры фазовых переходов Тs, Рs, критические параметры системы Тс, Рс и параметры образования азеотропа ρaz, Тaz, Paz.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):212-217
212-217
Микроскопическая коллективная динамика атомов расплава меди вблизи температуры плавления
Abstract
В работе представлены результаты численного и теоретического исследования атомарных коллективных возбуждений в жидкой меди при температуре T = 1423 К. Рассчитанные структурные и динамические характеристики сравниваются с экспериментальными данными по рассеянию рентгеновских лучей. На основе конфигурационных данных по моделированию атомарной/молекулярной динамики расплава меди рассчитаны частотные характеристики динамического структурного фактора и спектральной плотности временной корреляционной функции поперечного потока для широкой области значений волновых чисел. Описание спектров интенсивности рассеяния рентгеновских лучей I(k, ω) выполнено в рамках подхода, учитывающего лишь структурные характеристики и релаксационные параметры системы. Результаты моделирования косвенно подтверждают гипотезу о наличии «откликов» от поперечных возбуждений в экспериментально измеряемой величине – динамическом структурном факторе в жидких металлах. Определены характерные временные масштабы процесса структурной релаксации флуктуации концентрации частиц в расплаве меди вблизи температуры плавления.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):218-228
218-228
Моделирование методом теории функционала плотности интеркаляции ионов в гексацианоферраты железа и меди
Abstract
В данной работе исследуются гексацианоферраты железа и меди в качестве катода для K- и Mg-ионных аккумуляторов. С помощью моделирования методом функционала плотности найдены наиболее стабильные конфигурации гексацианоферратов железа и меди с интеркалированными ионами, определены потенциалы интеркаляции. Подтверждена экспериментально наблюдавшаяся ранее невозможность обратимой интеркаляции ионов Mg2+ в исследуемые структуры из водных электролитов. Дано объяснение данному эффекту.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):229-236
229-236
Особенности фемтосекундной лазерной абляции тонких пленок никеля
Abstract
Методом интерференционной микроскопии, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии были исследованы особенности абляции нанопленок никеля различной толщины на стеклянных подложках после однократного воздействия лазерных импульсов длительностью 70 фс с интенсивностью 1012–1013 Вт/см2 на воздухе. В отличие от образца толщиной 30 нм для образца толщиной 125 нм в зависимости от энергии импульса реализовано не только полное, но и частичное удаление металлической пленки. Причиной этого может являться интерференция волн разряжения, отраженных от границ пленки, и локализация внутри нее растягивающих напряжений, приводящих к снижению абляционного порога. Определены значения порогов по поглощенной плотности энергии при разрыве внутри пленки и при ее отрыве от подложки. Для образца толщиной 125 нм получена зависимость глубины кратеров от плотности энергии нагревающих импульсов в широком диапазоне значений.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):237-245
237-245
Агломерация и покрытие серебром наночастиц диоксида циркония в жидкостях под воздействием слабого лазерного излучения
Abstract
Представлены результаты экспериментов по воздействию импульсным лазерным излучением на гранулы промышленного нанопорошка двухфазного диоксида циркония (ZrO2), находящиеся в воде или водном растворе нитрата серебра (AgNO3). В обоих случаях при плотностях излучения ниже пороговых, необходимых для лазерной модификации наночастиц, наблюдалось образование агломератов микронных размеров из наноразмерных исходных гранул ZrO2. Изучалась возможность легирования серебром поверхностей полученных агломератов. Такие частицы могут найти практическое применение в исследованиях газодинамических потоков и при изучении теплообмена.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):246-250
246-250
Heat and Mass Transfer and Physical Gasdynamics
Теплоперенос в двухслойной анизотропной пластине с анизотропией общего вида под действием тепловых потоков на свободных границах
Abstract
В работе сформулировано и получено новое аналитическое решение сопряженной задачи теплопроводности между двумя анизотропными пластинами, в каждой из которых тензор теплопроводности имеет общий вид (без нулевых компонентов). На границе разрыва теплофизических характеристик (компонентов и ориентаций главных осей тензоров теплопроводности) использовалась непрерывность тепловых потоков и температур. Итоговое решение получено последовательным применением преобразования Фурье по одной из двух независимых пространственных переменных и преобразования Лапласа – по времени. В качестве параметра сопряжения принято нестационарное распределение температур на границе сопряжения (границы разрыва теплофизических характеристик), которое определялось из условий сопряжения и распределения температур в обеих пластинах. Получены численные результаты, которые показывают непрерывность нормальных к границе сопряжения тепловых потоков, но разрывы непрерывности градиентов температур на границе сопряжения.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):251-257
251-257
Применение законов сохранения в интегральной форме для анализа теплофизических процессов в криогенном баке при выработке топлива
Abstract
Теоретически исследуются процессы, протекающие в криогенной емкости при отборе из нее жидкости с одновременным наддувом подогретыми парами жидкости. Получена система уравнений, связывающая основные интегральные характеристики процесса. Рассмотрены режим отсутствия межфазного теплообмена и предельный режим межфазного теплообмена.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):258-265
258-265
Об устойчивости паровых пузырьков с зарядом в перегретой жидкости
Abstract
Рассмотрена проблема устойчивости паровых пузырьков с зарядом в перегретой жидкости. Определены критические условия для заряда паровых пузырьков, их радиусов и объемных концентраций в случае устойчивого состояния системы жидкость–паровые пузырьки. Построены линейные и нелинейные решения, и на их основе изучено влияние на развитие процесса эффектов радиальной инерции, вязкости жидкости, межфазного тепломассообмена, а также условий стесненности пузырьков. На основе данных решений изучена динамика перехода перегретой дистиллированной воды в устойчивое состояние.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):266-276
266-276
Исследование локальной структуры течения и сопротивления при вдуве кольцевой газокапельной струи в поперечный поток
Abstract
Выполнен численный расчет локальной структуры течения газокапельной радиальной кольцевой струи, вдуваемой в поперечный однофазный турбулентный поток нагретого газа. Расчеты проведены с использованием осесимметричного RANS-подхода при вариации основных параметров двухфазного потока: начального размера капель воды d1 = 0–20 мкм и их массовой концентрации ML1 = 0−0.1. Турбулентность газа описывается с применением модели переноса компонент рейнольдсовых напряжений, записанной с учетом двухфазности течения. Радиальная кольцевая струя выступает своего рода «преградой» для основного потока. Рост параметра вдува приводит к увеличению глубины проникновения вторичной струи в основной поток. При этом смешение потоков происходит не в пристенной зоне у защищаемой поверхности, а на некотором удалении от нее (y/R ≥ 0.15).
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):277-286
277-286
Численное моделирование истечения сверхзвуковой перерасширенной газовой струи в жидкость
Abstract
Рассматривается численное моделирование подводного истечения сверхзвуковой перерасширенной воздушной струи. Расчеты проводятся в нестационарной трехмерной постановке с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса (течение в сопле) и вихреразрешающего подхода к моделированию турбулентности (течение в струе). Расчет взаимодействия газовой среды с жидкостью осуществляется с помощью многофазной модели объема жидкости, учитывающей силы поверхностного натяжения и сжимаемость среды. Проводится анализ структурных особенностей турбулентности, образующихся при истечении сверхзвуковой струи воздуха в воду. В результате расчетов получена нестационарная картина формирования сверхзвуковой струи и газовой полости в жидкости, визуализирована ударно-волновая структура течения, а также оценен уровень пульсаций давления в жидкости. На качественном уровне проводится сопоставление картины течения при истечении струи воздуха в воздух и в воду. Полученные результаты сопоставляются с данными экспериментальной высокоскоростной фоторегистрации и имеющихся численных расчетов.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):287-297
287-297
Обзор
Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на подвижность и фертильные свойства сперматозоидов животных и человека
Abstract
Фотобиостимуляция сперматозоидов или световая активация сперматогенных клеток представляют собой перспективный метод, направленный на увеличение активности и жизнеспособности сперматозоидов. Этот процесс, основанный на воздействии света определенного спектрального диапазона, способен улучшить метаболические процессы внутри сперматозоидов, повышая их подвижность и эффективность оплодотворения. Эффективность фотобиостимуляции объясняется способностью света активировать фотосенситивные молекулы, вовлеченные в энергетический обмен мужских половых клеток. В настоящей статье представлен аналитический обзор научных публикаций, касающихся положительного, нулевого и отрицательного эффекта воздействия света на сперматозоиды. Проанализированные исследования показывают, что использование излучения лазера или светодиодов различной длины волны может значительно улучшить показатели как морфологии, так и подвижности сперматозоидов. Анализ литературы, проведенный с использованием закона Арндта–Шульца, позволил определить оптимальные значения параметров облучения. Технология имеет потенциал не только в лечении мужского бесплодия, но и в улучшении клинических результатов экстракорпорального оплодотворения.
Teplofizika vysokih temperatur. 2025;63(2):298-321
298-321