Original: http://ronney.usc.edu/research/rift/rift.html

Професор Пол Д. Ронні (Paul D. Ronney)

(за підтримки гранту НАСА № NAG3-1653)

АНОТАЦІЯ

Загальновідомо, що радіаційний тепловий транспорт впливає на багато типів плавучих потоків завдяки своєму впливу на температуру і, отже, поле щільності в текучому середовищі. Цікавим є вивчення газових потоків, що рухаються виключно випромінюванням за відсутності плавучості, особливо через його застосування до астрофізичних потоків, які добре відомі з астрономічних спостережень та чисельного моделювання. Однак жодного лабораторного експерименту з цим явищем ніколи не проводилося. Для вивчення можливості отримання таких потоків у лабораторії був побудований апарат для отримання великих різниць температур (T) до 300К у газі, який знаходиться між плоскими паралельними пластинами. SF₆ використовували як радіаційно-активний газ, оскільки його планківська довжина поглинання набагато менша, ніж у будь-якого іншого звичайного неактивного газу. Падіння вежі НАСА-Льюіса 2.2 було використано для отримання зниженого гравітації з метою придушення ефектів плавучості. Для зображення отриманих потоків був використаний лазерний зсувний інтерферометр. Початкові результати вказують на наявність потоку, який, здається, не пов’язаний із залишковим потоком, що виникає внаслідок впливів плавучості до падіння. Для T> 70K незначні деформації на смугах інтерферометра, помітні при нижчих Т, стали великими нестійкими закрутками. Така поведінка не спостерігалася для  радіаційно неактивних  газів, що свідчить про те, що потік, що рухається виключно випромінюванням, був отриманий в SF₆ і меншою мірою в CO₂. Це було більш вираженим при більш високих тисках і відстанях між пластинами, що відповідає нашим прогнозам масштабування.

ВСТУП

Радіаційні потоки виникають у багатьох газах і рідинах, які не є ні повністю прозорими, ні повністю непрозорими для електромагнітного випромінювання. Цей ефект важливий для багатьох практичних проблем, включаючи обробку скла та напівпровідників; океанографічні або атмосферні потоки із застосуванням до глобальних кліматичних змін; астрофізичні потоки; фізика плазми; системи згоряння; збір сонячної енергії; ядерні вибухи та тепловіддача в житлових корпусах.

Ми припустили, що потік, який рухається виключно радіаційними ефектами без накладених гідродинамічних або гідростатичних градієнтів тиску, може бути можливим з наступних причин. Якщо посилка газу отримує трохи більше опалення, ніж навколишній газ, його температура підвищується. У газах із сильно залежною від температури довжиною поглинання Планка (l_p), таких як SF₆, це підвищення температури призводить до значного зменшення поглинання, що, в свою чергу, спричиняє збільшення радіаційної провідності. Для SF₆ радіаційна провідність приблизно пропорційна T⁵. Місцеве підвищення температури сприятиме подальшому теплопередачі по всьому газу, і при поєднанні з ефектами теплового розширення може виникнути потік. Докази цієї нестабільності були знайдені в експериментах горіння _g (посилання 1). У горючих  сумішах CH₄-O₂  та H₂-O_2, розведених SF₆, спостерігали полум’яну структуру, що характеризується раптовим дотиком еволюціонуючого фронту, особливо при високих тисках. Перебирання пальців відбувалося в сумішах, розбавлених SF_6, але не в розбавлених N₂-, Ar– або CO₂ сумішах, що слід очікувати, якщо запропонований механізм нестабільності присутній, оскільки l_p/T набагато більший для SF_6, і оскільки в випробуваних умовах тільки SF₆ є оптично товстим. Для поточного дослідження ми вивчали нестабільність радіаційного потоку в нереагуючому газі при мкг із накладеним джерелом тепла відомого характеру, а не хімічну реакцію, характеристики тепловиділення якої тісно пов’язані з тепловим полем.

Багато теоретичних та обчислювальних досліджень радіаційних потоків з’являються в астрофізичній літературі (посилання 2 – 4) через його значення для сонячних спалахів, утворення галактик тощо, проте експериментальних досліджень аналогічних потоків в лабораторні установки. Аналізи масштабування вказують, що при земній гравітації цей потік буде переповнений плавучою конвекцією навіть у високоактивному радіаційно активному газі, такому як SF₆. Залежно від орієнтації, плавучість або придушить нестабільність, або буде затьмарена конвекцією Релея-Бенара. Отже, умови мікрогравітації необхідні для експериментального тесту на існування цього типу потоку. Мета цього експериментального дослідження полягає у дослідженні аспектів потоків рідини, в яких переважає радіація, які не можуть бути вивчені під земною гравітацією.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ АПАРАТ І ПРОЦЕДУРИ

Експериментальна довідка

Для цих експериментів був використаний модифікований апарат Релея-Бенарда. Він складався з двох паралельних плоских пластин із зазором між ними, який варіювався від 2 до 5 см (див. Рис. 1.) Верхня нагрівальна плита була резистивно нагріта, а нижня холодна – термоелектричною або водяним охолодженням. Пластини товщиною 1 см використовувались для забезпечення рівномірної температури на пластині та забезпечення того, щоб час їх теплової реакції був дуже великим порівняно з тривалістю випробування на низькій гравітації. Між двома плитами може підтримуватися велика різниця температур (до 300K). Розташування конфорки поверх холодної плити мінімізувало плавучий потік у тестовій секції перед падінням, однак деякої плавучої течії всередині тестової секції було не уникнути через течію з верхньої частини конфорки. Цей потік є небажаним, тому що йому потрібно кінцевий проміжок часу, щоб він затухнув після видалення плавучості, тобто коли падіння починається. Це ускладнює визначення того, чи потік, який спостерігається під час _g, є наслідком випромінювальних ефектів або затухання плавучого потоку. Для мінімізації цього потоку було використано набір перегородок та блоків ізоляції. Крім того, було проведено порівняння випробувань, проведених за подібними земними гравітаційними числами Грашофа з радіаційними та нерадіаційними газами (див. нижче). Пластини та їх несуча конструкція розміщені у добре ізольованій, герметичній алюмінієвій камері. Для отримання умов низької гравітації використовували другий випускний корпус НАСА-Льюіса 2.2.

Малюнок 1. Структурна схема випробувального апарату (розширена у вертикальному напрямку для наочності).

Методи вимірювання

Було проведено два типи вимірювань: теплові властивості та візуалізація. Теплові властивості використовуються для перевірки 1-d рівнянь транспорту, для кількісної оцінки просторових та часових відхилень від стійких та/або 1-d профілів (тобто для виявлення нестабільності) та для кількісної оцінки амплітуди та спектра збурень. Теплові властивості вимірювали термопарами та радіометрами. Візуалізація надавала якісну інформацію про загальний потік. Температури вимірювали за допомогою тонкопровідних термопар (50 мкм), розміщених у декількох місцях в межах газу. Оскільки їх розмір був набагато меншим, ніж розглянуті ваги, їх вплив на теплотранспорт можна вважати незначним. Для вимірювання коливань потоку випромінюваної енергії в зазор між пластинами були розміщені два вузькокутові екрановані радіометри типу термоелектричного типу. Вони були орієнтовані паралельно один одному, але розділені горизонтальною відстанню 8 см, щоб отримати відносне вимірювання коливань променистої енергії, присутніх у будь-який момент часу під час тесту на падіння.

Інтерферометр зсуву (рис. 2) був розроблений для зображення потоку в башті, оскільки випробувані гази є прозорими на видимих ​​довжинах хвиль. Велику увагу приділяли його чутливості, а також її міцності, щоб можна було отримати кількісні вимірювання, а також якісну інформацію.

Малюнок 2. Інтерферометр і блок-схема рамки падіння.

Радіативні носії

Випробовувані гази вибирали на основі їх радіаційних властивостей. SF₆ і CO₂ використовувались в основній масі випробувань для представлення сильно випромінюючих газів. Хоча SF₆ має найменший l_p і найшвидше зменшення l_p із збільшенням T, початкові тести на падіння, проведені з CO_2, також показали значний радіаційно керований потік. N₂, неопромінювальне  середовище, використовували для того, щоб визначити, чи буде зустрічатися будь-який потік за відсутності радіаційних ефектів.

РЕЗУЛЬТАТИ Й ОБГОВОРЕННЯ

При більш високих тисках і температурах спостерігались потоки в SF_6, які, здавалося, не були залишком потоку, спричиненого плавучістю, наявним до випробувань на падіння. Тести на падіння, проведені з CO₂ під  високим тиском, також дали значний потік. Випробування з N₂ не давали жодних візуальних ознак присутності руху рідини, крім занепаду плавучого потоку, присутнього до падіння. Оскільки N₂ не є випромінюючим газом, це відповідає запропонованій вище пропозиції.

На малюнку 3 показано інтерферометричне зображення потоку в SF₆ при 2 атм, зроблене біля кінця тесту на падіння. Велика  деформація бахроми в правій половині рами позначає  різкий градієнт щільності та наявність потоку. Це найбільш вірогідний часовий проміжок для реалізації  радіаційно керованого  потоку, оскільки передбачувана шкала часу для випромінювання при мікрогравітації коливається від .5-5 секунд.

Рисунок 3. Інтерферометрічне зображення радіаційного потоку при мкг, зроблене в кінці періоду падіння. Газ: SF₆; тиск: 2 атм; відстань між пластинами: 2 см; Т = 105К. Зверніть увагу на сильну деформацію бахроми в бахромах у верхньому правому куті зображення, що вказує на градієнт щільності. Бахроми – це паралельні лінії, коли потоку немає.

Хоча CO₂ не мав такого потоку, як SF₆, випробування проводили при тиску вище 2 атм. виявлено значну кількість руху рідини. Насправді тести на CO₂ та N₂, проведені за одним і тим же номером Грасгофа, помітно відрізнялись. На малюнках 4 і 5 показано зображення інтерферометра з тестів на падіння CO₂ і N₂ відповідно, зроблені біля кінця краплі. На зображенні CO₂ показано кілька областей, де деформація бахроми є значною, тоді як у тесті N₂ спостерігається лише мінімальна деформація бахроми. Важливо, що навіть незважаючи на те, що значення Грасхофа земної гравітації майже однакові для цих двох випадків, у випадку CO₂ потік зберігається протягом усього падіння, тоді як у N₂ потік стабільно занепадає, що вказує на те, що в CO₂ радіаційно-індукований потік домінує.

Рисунок 4. Зображення інтерферометра радіаційно-керованого потоку в мкг, зроблене біля кінця періоду падіння. Газ: CO₂; тиск: 3,2 атм; відстань між пластинами: 2 см; Число Грасгофа при земній гравітації: 1,4 х 10⁶.

Рисунок 5. Зображення інтерферометра затухаючого плавучого потоку при мкг, зроблене біля кінця періоду падіння. Газ: N₂; тиск: 4,6 атм; відстань між пластинами: 2 см. Число Грасгофа при земній гравітації: 9,2 х 10⁵.

ЗАКЛЮЧНІ ЗАУВАЖЕННЯ

Додаткові тести на падіння будуть використані для подальшої ізоляції та врешті-решт кількісної оцінки потоків. Зокрема, будуть виміряні спектри коливань температури та випромінювального потоку та порівняно з теоретичними прогнозами з астрофізичної літератури. Падіння башти НАСА-Льюіса забезпечує лише 2,2 секунди мікрогравітації, тому довгострокова поведінка цих радіаційно керованих потоків невідома. Невелика тривалість також забороняє повне затухання залишкових ефектів плавучого потоку при одній г. Зображення інтерферометра вказують на те, що для повної характеристики та розуміння явищ радіаційних потоків потрібно більше часу мікрогравітації.

ПОДЯКА

Ми вдячні за підтримку співробітників 2,2-секундної вежі при дослідницькому центрі НАСА-Льюіса.

ЛІТЕРАТУРА

1. Lozinski, D., Buckmaster, J. D., Ronney, P. D.: Absolute flammability limits and flame balls in optically thick mixtures. Combustion and Flame 97, 301 (1994).

2. Field, G. B.: Thermal instability. Astrophys. J. 142, 531 (1965).

3. Balbus, S. A.: Local dynamic thermal instability. Astrophys. J. 303, L79 (1986).

4. Karpen, J. T., Picone, J. M., Dahlberg, R. B.: Nonlinear thermal instability in the solar transition region. Astrophys. J. 324, 590 (1988).