Спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в сверхзвуковых газовых потоках
Диссертация
Приведены примеры экспериментальных спектров рассеяния в сверхзвуковых потоках азота (580м/с) и атмосферного воздуха (700м/с), выполнен их анализ в кинетическом и гидродинамическом приближениях. Показана возможность определения поступательной скорости потока, скорости и затухания звука, температуры газа в потоке, сдвиговой вязкости, средней длины свободного пробега молекул газа в потоке… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований рассеяния света в покоящихся газах
- 1. 1. Закон Рэлея для интенсивности света, рассеянного на флуктуациях плотности
- 1. 2. Формула Эйнштейна для интенсивности рассеянного света в жидкостях и газах
- 1. 3. Связь между формулами Эйнштейна и Рэлея. Случай идеального газа
- 1. 4. Спектральный состав света, рассеянного на флуктуациях плотности: термодинамическая теория
- 1. 5. Случай разреженных газов
- 1. 6. Спектральное распределение интенсивности: кинетическая модель
- 1. 7. Рассеяние на бинарных смесях газов
- 1. 8. Отношение интенсивностей компонент Рэлея и Мандельштам-Бриллюэна
- 1. 9. Деполяризация рассеянного излучения
- 1. 10. Экспериментальная база и техника измерений
- 1. 11. Объекты исследований, их характерные физические величины
- 1. 12. Перспективные направления экспериментов по рассеянию света в газах и газовых потоках
- Глава 2. Численные расчеты спектров спонтанного рассеяния в газовых потоках
- 2. 1. Расчет интенсивности по формуле Рэлея
- 2. 2. Термодинамическая модель: поинципы построения, входящие параметры дифференциального сечения рассеяния
- 2. 3. Кинетическая модель: аналитическое выражение^ спектральной интенсивности рассеянного излучения
- 2. 4. Учет влияния входной апертуры на спектр рассеяния МандельштамаБриллюэна. Оптимальная форма диафрагмы
- 2. 5. Сравнение термодинамической и кинетической моделей расчета спектров рассеяния
- Глава 3. Экспериментальная установка для измерения спектров рассеяния в газах
- 3. 1. Объект исследования — газовая струя. Разреженный газ
- 3. 2. Атмосферная струя
- 3. 3. Лазер
- 3. 4. Сферический интерферометр Фабри-Перо
- 3. 5. ФЭУ в режиме счета фотонов
- 3. 6. Оптическая система сопряжения точки измерения с системой регистрации
- 3. 7. Система автоматического управления экспериментом
- 3. 8. Градуировка спектрометра
- Глава 4. Анализ экспериментальных спектров рассеяния МандельштамаБриллюэна в газах
- 4. 1. Общий вид спектра рассеяния на интервале свободной дисперсии
- 4. 2. Определение временного интервала регистрации фотоотсчетов при спектроскопии мандельштам-бриллюэновского рассеяния в газах
- 4. 3. Влияние конечных размеров входной апертуры на измеренный спектр. Сравнение с расчетными данными
- 4. 4. Расшифровка спектров. Определение кинетических коэффициентов, температуры газа и скорости потока
- 4. 5. Спонтанное рассеяние в реальных атмосферных сверхзвуковых потоках
Список литературы
- Борн М. Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 855с.
- Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Наука, 1971. 376с.
- Бутиков Е. И, Оптика. СПб.: Невский диалект, 2003 480с.
- Мандельштам Л. И. Лекции по колебаниям. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 503с.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.: Наука, 1976. 588с.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736с,
- Мандельштам Л. И., Леонтович М. А. К теории поглощения звука в жидкости// ЖЭТФ 1937 Т.7, с.438−443.
- Фриш С.Э. Техника спектроскопии.Л.: Изд-во ЛГУ 1936. 189с.
- Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия М.: Эдиториал УРСС, 2001. 896с.
- Таблицы физических величин. Справочник под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат 1976. 1008с.
- Физические величины. Справочник под ред. И. С. Григорьева. М.: Энергоатомиздат 1991. 1232с.12.3айдель А.Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука 1972, 376с.
- Фабелинский И. Л. О тонкой структуре линии релеевского рассеяния в газах. В кн. Исследования по экспериментальной и теоретической физике. Изд-во АН СССР. 1959.
- Фабелинский И. Л. Молекулярное рассеяние света. М.: Наука, 1965. 512с.
- Вукс М.Ф. Рассеяние света в газах жидкостях и растворах. Л.: Изд-во ЛГУ, 1977. 320с.
- Ахманов С. А., Коротеев Н. И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяного света. М.: Наука, 1981. 544с.
- П.Ринкевичюс Б. С. Лазерная диагностика потоков. М. Изд-во МЭИ, 1990. 88с.
- Фаддеева В. Н. Терентьев Н.М. Таблицы значений функции W(z) комплексного аргумента. М.: Изд-во АН СССР, 1954. 268с.
- Van Hove L. Correlations in Spase and Time and Born Approximation Scattering in Systems of Interacting Particles. // Phys. Rev. 1954 Vol.95. № 1. P.249−262.
- Bhatnagar P. F., Gross E. P., and Krook M. Model for Collision Processes m Gases. // Phys. Rev. 1954. Vol.94. № 3. P.511−525.
- Gross E. P., Jackson E.A. Kinetic models and linearized Boltzmann equations. //Phys. Fluids 1959 Vol.2 № 4, P.432−441.
- LebowitzJ.L., Frisch H.L., Helfand E. Nonequilibrium distribution functions in a fluid. //Phys Fluids 1960 Vol.3. № 3, P.325−338.
- Aamodt R., Case К. M., Rosenbaum M., and Zweifel P. F. Quasi-Classical Treatment of Neutron Scattering. // Phys. Rev. 1962 Vol.126, № 3. P.1165−1167.
- Комаров Л.И., Фишер И. З. К теории релеевского рассеяния жидкостями, //ЖЭТФ 1962 Т.43, вып.5 с. 1927−1933.
- Фишер И.З. Современное состояние теории жидкостей. //УФН 1962 Т.76, вып. З с.499−518.
- Morse T.F. Energy and momentum exchange between nonequipartition gases //Phys. Fluids 1963 Vol.6, № 10 P. 1420−1427.
- Nelkin M., Ghatak A. Simple binary collision model for Van Hove’s Gs (r, t)//Phys. Rev. 1964 Vol. 135 № 1A P. A4-A9
- Pecora R. Doppler shift in light scattering from pure liquids and polymer solutions. //J. Chein. Phys. 1964 Vol.40, № 6. P. 1604−1614.
- Morse T.F. Kinetic model for gases with internal degree of freedom //Phys. Fluids 1964 Vol.7, № 2, P. 159−169
- Morse T.F. Kinetic model equations for a gas mixtures //Phys. Fluids 1964 Vol.7, № 12 P.2012−2013
- ЗКЧеремисин Ф. Г. Решение уравнения Больцмана для газа с внутренними степенями свободы молекул. // XII конференция по вычислительной механике и прикладным программным средствам (ВМСППС-2003). Владимир, 2003, с. 646.
- Saxena S.C., Dave S.M. Thermal diffusion in binary gas mixture// Rev. Mod. Phys. 1961 Vol.33, № 2 P.148−152.
- Saxena S.C., Mathur B.P. Thermal diffusion in binary gas mixtures and mtermolecular forces//Rev. Mod. Phys. 1965 Vol.37, № 2 P.3I6−325.
- Райнес А. А. Численное решение задачи о диффузии в смеси разреженного газа на базе уравнения Больцмана. // XII конференция по вычислительной механике и прикладным программным средствам (ВМСППС-2003). Владимир, 2003, с. 549.
- Yip S. and Nelkin М. Application of a Kinetic Model to Time-Dependent Density Correlations in Fluids. // Phys. Rev. 1964. Vol.135. № 5A. P.1241−1247.
- Van Leeuwen J. M. J. and Yip S. Derivation of Kinetic Equations for Slow-Neutron Scattering. // Phys.Rev. 1965.Vol.139. № 4A. P. 1138−1151.
- Mountain R. D. Spectral Distribution of Scattered Light in a Simple Fluid. // Rev. Mod. Phys. 1966.Vol.38, № 1. P.205−214.
- Greytak T.J., Benedek G. B. Spectrum of Light Scattered from -Tennal Fluctuations in Gases. // Pliys. Rev. Lett. 1966. Vol.17. № 4. P.179−182.
- Nelkin M. and Yip S. Brillouin Scattering by Gases as a Test of the Boltzmann Equation // Phys. Fluids 1966.Vol.9. № 2. P.380−381.
- Ranganathan S. and Yip S. Time-Dependent Correlations in a Maxwell Gas. // Phys. Fluids 1966. Vol. 9. № 2. P.372−379.
- Hanson F.B., Morse T.F. Kinetic model for a gas with internal structure //Phys. Fluids 1967 Vol.10, № 2, P.345−353.
- Nelkin M., Ranganathan S. Collisionless sound in classical fluids // Phys. Rev. 1967 Vol.164, № 1 P.222−227
- Sugawara A. and Yip S. Kinetic Model Analysis of Light Scattering by Molecular Gases.//Phys. Fluids 1967.Vol.10. № 9. P.1911−1921.
- Sugawara A., Yip S., Sirovich L. Kinetic Theory Analysis of Light Scattering m Gases //Phys. Rev. 1968 Vol.168, № 1. P.121−123.
- Sugawara Akira, Yip Sidney and Sirovich Lawrence. Spectrum of density fluctuations m gases.// Phys. Fluids 1968 Vol.11, № 5 P.925−932.
- Cipolla J.W., Morse T.F. Kinetic description of cylindrical heat conduction in a polyatomic gas //Phys. Fluids 1968 Vol.11, № 6, P. 1292−1300
- Hanson F.B., Morse T.F., Sirovich L. Kinetic description of the propagation of plane sound waves in a diatomic gas. //Phys. Fluids 1969 Vol.12, № 1, P.84−95
- Hanson F.B., Morse T.F. Free molecule expansion polynomials and sound propagation in rarefied gases. //Phys. Fluids 1969 Vol.12, № 8 P.1564−1572.
- Yip S. Rayleigh Scattering in Delute Gases. // J. Acoust. Soc. Am. 1971 Vol.49. № 3. P.942−949.
- Broz A., HarrigarrM., Kasten R., and Monkewicz A. Light Scattered fromTermal Fluctuations in Gases. // J. Acoust. Soc. Am. 1971.Vol.49. № 3. P.950−952.
- Boley C.D., Sidney Yip. Kinetic theory of time-dependent correlation functions in a binary gas mixture.// Phys. Fluids 1972 Vol.15, № 8, P.1433−1446.
- Boley C.D., Sidney Yip. Modeling theory of the linearized collision operator for a gas mixture.// Phys. Fluids 1972 Vol.15, № 8 P.1433−1424.
- Boley C.D., Desai R. C., and Tenti G. On the Kinetic Model Description of Rayleigh- Brillouin Scattering from Molecular Gases // Can. J. Phys 1974.Vol.52. № 4 P.285−290.
- Deutsch 0. L., Yip S. Van Hove self-correlation functions in a Maxwell gas //Phys.Fluids 1974 Vol.17, № 1 P.252−253.
- Sandoval R. P. and Armstrong R.L. Rayleigh-Brillouin spectra in molecular nitrogen. // Phys. Rev.A. 1976. Vol.13. № 2. P.752−757.
- Clark N. A. Inelastic light scattering from density fluctuations in dilute gases. The kinetic-hydro dynamic transition in a monoatomic gas //Phys.Rev. A 1975 Vol.12, № 1 P.232−244.
- Clark N. A. Inelastic light scattering from density fluctuations in dilute gases. II. Nonhydrodynamic behavior of a binary gas mixture //Phys.Rev.A 1975 Vol.12, № 5 P.2092−2105.
- Furtado P. M., Mazenko G. F., Yip S. Hard-sphere kinetic-theory analysis of classical, simple liquids//Phys. Rev. A 1975 Vol.12, № 4, P. 1653−1661.
- Furtado Paulo M., Mazenko Gene F., Yip Sidney Kinetic-model description of dense hard-sphere fluids //Phys. Rev. A 1976 Vol.13, № 4 P.164M644.
- V. Ghaem-Maghami and A. D. May, Rayleigh-Bri 11 ouin spectrum of compressed He, Ne, and Ar. I. Scaling, //Phys. Rev. A 1980 Vol.22, № 2, P.692−697.
- V. Ghaem-Maghami and A. D. May, Rayleigh-Brillouin spectrum of compressed He, Ne, and Ar. II. The hydrodynamic region // Phys. Rev. A 1980 Vol. 22, № 2, P.698−705.
- Letamendia L., Chabrat J. P., Nouchi G., Rouch J., Vancamps C., and Chen S. H., Light-scattering studies of moderately dense gas mixtures: Hydrodynamic regime //Phys. Rev. A 1981 Vol.24, № 3 P. 1574−1590.
- L. Letamendia, P. Joubert, J. P. Chabrat, J. Rouch, and C. Vaucamps C. D. Boley Sidney Yip and S.-H Chen Light-scattering studies of moderately dense gases. II. Nonhydrodynamic regime //Phys. Rev. A 1982 Vol.25, № 1, P.481−488.
- Letamendia L., Nouchi G., Yip S. Kinetic model of the generalized Enbskog equation for binary mixtures// Phys. Rev. A 1985 Vol.32, № P. l 082−1090.
- Campa A., Cohen E. G. D. Observable Fast Kinetic Eigenmode in Binary Noble-Gas Mixtures?// Phys. Rev. Lett. 1988 Vol.61, № 7. P.853−856.
- Montfrooij W., Westerhrijs P., de Schepper I. Comment of" Observable Fast Kinetic Eigenmode in Binary Noble-Gas Mixtures?" //Phys. Rev. Lett. 1988 Vol.61, P.2155.
- Campa A. and Cohen E. G. D., Kinetic-sound propagation in dilute gas mixtures //Phys. Rev. A 1989 Vol.39, № 9. P.4909- 4911.
- Clouter M. J., Luo H., Kiefte H., Zollweg J. A. Light scattering in gas mixtures: Evidence of fast and slow sound modes// Phys. Rev. A 1990 Vol.41, № 4.P.2239−2242.
- Андреева T. J1. Малюгин А. В. Тонкая с,. ктра рэлеевского рассеяния света в молекулярных газах //УФН, А .150, вып.4 с.525−560.
- Андреева Т. Л. Малюгин А.В. Спектр рэлеевского рассеяния света в неравновесном газе. //ЖЭТФ 1987 Т.92, вып.5, с. 1549−1563.
- Андреева T. J1. Малюгин А. В. Дисперсия кинетических коэффициентов и перестройка триплета рэлеевского рассеяния в газе // ЖЭТФ 1990 Т.97, вып.5, с.1566−1577.
- Cattolica R., Robben F. Talbot L., Willis D.R. Translational nonequilibrium in free jet expansions//Phys. Fluids 1974Vol. l7 № 10 P. 1793−1807.
- Miles R.B., Lempert W.R. Two-dimensional measurement of density, velocity, and temperature in turbulent high-speed air flows by UV Rayleigh Scattering. Applied Physics B, 51, 1990, P. 1−7.
- Forkey J.N., Finkelstein N.D., Lempert W.R., Miles R.B. Demonstration and Characterization of Filtered Rayleigh Scattering for Planar Velocity Measurements.//AIAA Journal 1996.Vol.34. №.3 P.442−448.
- Aguilar C., Azpeitia C., Alvarado J. M., and Stern C. Study of Mach Lines and Acoustic Waves m a Jet Using Rayleygh Scattering. // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 2005. AJAA 2005−1351. P. 1−8.
- Фабелинский И. JI. Спектры, света молекулярного рассеяния и некоторые их применения. // УФН 1994. Т. 164. № 9. С.897−935.
- Фабелинский И. Л. О макроскопической и молекулярной сдвиговой вязкости//УФН 1997. Т.167№ 7 с.721−733.
- Grinstead J. Н., Barker P. F. Coherent Rayleigh Scattering // Phys. Rev. Lett. 2000 Vol.85. № 6.P.1222−1225.
- Xingguo Pan, Mikhail N. Shneider, and Richard B. Miles, Coherent Rayleigh-Brillouin Scattering// Phys. Rev. Lett. 2002 Vol.89, № 18.183 001 .P.1−4
- Pan X., Shneider M. N., Miles R. B. Coherent Rayleigh-Brillouin scattering in molecular gases //Phys. Rev. A 2004 Vol.69, № 3.33 814.P.l-16.
- Xingguo Pan, Mikhail N. Shneider, and Richard B. Miles Power spectrum of coherent Rayleigh-Brillouin scattering in carbon dioxide // Phys. Rev. A 2005 Vol.71, № 4.45 801.P.l-2.
- Ветохин С.С., Гулаков И.Р, Перцев А. Н. Одноэлектронные приемники М.: Энергоатомиздат, 1986. 160с.
- Канцеров А.И., Косых Н. Б., Машек И. Ч. Измерение фазового профиля газовой струи методом фильтрации пространственного спектра. // Международная конференция по проблемам физической метрологии ФИЗМЕТ-96, Санкт-Петербург,! 996, с. 100−102.
- Анисимов Ю.И., Пашков В. А., Машек И. Ч. Спонтанное рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна в лазерной доплеровской диагностике высокоскоростных газовых потоков. // Автометрия. 2000. № 5. С.17−21.
- Машек И.Ч. Оптическая спектроскопия сверхвысокого разрешения в лазерной доплеровской диагностике высокоскоростных потоков. В сб. «Лазерные исследования в СПбГУ», 2001, с.233−247.
- Жиглинский А.Г., Кучинский В. В. Реальный интерферометр Фабри-Перо. JL: Машиностроение. 1983, с. 176
- Chang-Hyun Chung, S. Yip Relaxation equations for depolarized Rayleigh and Brilloum scattering in liquids. //Phys. Rev. A 1971 Vol.4 № 3 P.928−939.
- Hercher M. The spherical mirror Fabry-Perot interferometer // Applied Optics 1968 Vol.7 № 5 P.951−956.91 .Калитеевский Н. И., Чайка М. П. Интерферометр Фабри-Перо и некоторые его приложения в спектроскопии. В кн. Спектроскопия газоразрядной плазмы
- Чайка М.П. Светосила спектрометра с интерферометром Фабри-Перо // Оптика и спектроскопия 1967 том 3 вып.4 с.372−379.
- Машек И.Ч., Метаферия X., Чайка М. П. Исследование реального конфокального интерферометра. // Вестник ЛГУ 1989 сер.4, вып.2, с89−91.
- Машек И.Ч., Метаферия X., Чайка М. П. Сферический интерферометр с корректируемой аппаратной функцией. // Оптика и спектроскопия 1989 том 66 с.1366−1368.
- Машек И.Ч., Чайка М. П. Мультиплекс со сферическим интерферометром. // Оптика и спектроскопия 1983 том 55 вып. З с.407−409.96.3велто О. Физика лазеров. М.: Мир 1979, 373с.
- Справочник по лазерам под ред. Прохорова A.M. т.1, т.2 Сов. Радио 1978 504с., 400с.
- Машек И.Ч. Оптическая спектроскопия сверхвысокого разрешения в лазерной доплеровской диагностике высокоскоростных потоков. Диссертация на соискание ученой степени доктора ф-м.н. СПб., 2000.
- Xmgguo Pan, Mikhail N. Shneider, and Richard B. Miles, P.F. Barker. Coherent Rayleigh scattering in the high intensity regime // Optics communications 2004, Vol.239, P.205−211.
- Xingguo Pan, P.F. Barker, A. Meschanov, J.N. Grinstead, Mikhail N. Shneider and Richard B. Miles. Temperature measurements by coherent Rayleigh scattering II Optics letters 2002, Vol.27, № 3, P. 161−163.
- Козлов Д. H., Хеммерлинг Б., Стампанони-Панариелло А. Измекрение скоростей газовых потоков с использованием лазерно-индуцированных решеток. // Автометрия 2000 № 5 стр.5−16.
- Давидсон В.Е. Сборник задач по газовой динамике. Киев. Изд-во КГУ 1959, 188с.
- Ферри А. Аэродинамика сверхзвуковых течений. Пер. с англ. Р. И. Штейнберг М. Гостехтеориздат. 1953, 463с.
- Beck W.H., Stockman Е., Zaidi S.H., Miles R.B. Rayleigh scattering measurements for obtaining spatially-resolved absolute gas densities in large scale facilities. 44rd A1AA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 2006. AIAA 2006−835. P. l-13.
- Bivolaru D., Danehy P.M., Lee J.W., Gaffney R.L., Cutler A.D. Singlepulse multi-point multi-component interferometric Rayleigh scattering velocimeter. 44rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 2006. AIAA 2006−836. P. l-10.
- Mielke A.F., Elam K.A., Sung C.J. Rayleigh scattering diagnostic for measurement of temperature, velocity, and density fluctuation spectra. 44rd
- AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 2006. AIAA 2006−837. P. l-15.
- Анисимов Ю.И., Косых Н. Б., Машек И. Ч. Определение оптимальной апертуры при лазерной спектроскопии мандельштам-бриллюэновского рассеяния в сверхзвуковых потоках газов. // Вестник СПбГУ Сер.4. 2006. Вып.2 с. 99−102.
- Miles R.B., Lempert W.R., Forkey J.N. Laser Rayleigh scattering //Meas. Sci. Technol. 2001. Vol.12 R33-R51
- Miles R.B., Yalin A.P. Temperature measurements by ultraviolet filtered Rayleigh scattering using a mercury filter // Journal of thermophysics and heat transfer. 2000. Vol. 14, № 2, P. 210−215.