1 Актуальность проблемы.
Прогресс в теории тепло- и массопереноса в гетерогенных системах и на межфазной границе «газ- твёрдое тело» в существенной мере определяется успехами в развитии представлений о рассеянии отдельных молекул атомами поверхности и элементами ее микроструктуры. Элементарные процессы, связанные с переносом энергии и импульса в таких системах, принято учитывать путем задания соответствующих граничных условий. Для построения граничных условий к уравнениям тепло- и массопереноса, которые адекватно бы отражали реальные процессы, происходящие на микроуровне, требуются либо экспериментальные данные, либо детальные модели рассеяния, построенные из первых молекулярных принципов. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование, связанное с получением данных о влиянии взаимодействия газовых молекул с поверхностью твёрдого тела на макроскопические характеристики газа и развитием модельных представлений о процессах, происходящих на межфазной границе “газ - твёрдое тело”, представляется актуальным.
Кроме того, проблема взаимодействия газа с поверхностью имеет практический аспект. В частности, расчеты вакуумных систем, проблемы оценки торможения и теплообмена летательных аппаратов, а также ряд других практических задач, связанных с переносом энергии и импульса между разреженным газом и твердым телом, требуют как развития теории, так и экспериментальных данных для конкретных систем.
Выполненное исследование посвящено вопросам теории тепло- и массопереноса в системе “газ - твёрдое тело”, а также физическим и численным экспериментам, связанным с изучением влияния состояния поверхности на характер течения разреженных газов в каналах.
Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, проводимых в отделе теплофизики и поверхностных явлений НИИ ФПМ при УрГУ (тема 2.2.5/2), при частичной поддержке Грантов CRDF No: REC-005 и INTAS No: 99¬00749.
2. Цели и задачи работы.
Целью настоящей работы является получение данных о влиянии взаимодействия газовых молекул с поверхностью твёрдого тела на макроскопические потоки ультраразреженного газа и развитие модельных представлений о процессах, происходящих на межфазной границе “газ - твёрдое тело”.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
• разработка методики получения информации о взаимодействии молекул с поверхностью из экспериментальных данных по течению газов в каналах;
• разработка методики приготовления поверхности с заданными свойствами;
• разработка методики измерения проводимости цилиндрического канала в свободномолекулярном режиме в условиях контроля поверхности;
• проведение эксперимента по исследованию влияния химического состава поверхности на газодинамическую проводимость цилиндрического канала в свободномолекулярном режиме;
обобщение данных о влиянии свойств межфазной границы «газ - твёрдое тело» на формирование потоков разреженного газа в каналах;
численное моделирование свободномолекулярного течения газа в каналах методом Монте-Карло;
исследование роли микронеровностей в процессе формирования потока ультра разреженного газа в каналах методом численного моделирования;
моделирование процесса релаксации разреженного газа в ограниченном пространстве с целью отработки метода расчёта.
3. Научная новизна.
новым является экспериментальный подход к исследованию влияния химического состава поверхности канала на его газодинамические характеристики, основанный на создании атомарно-чистой поверхности путем напыления различных металлов в глубоком вакууме и создании покрытия за счет адсорбции газов;
новыми являются полученные экспериментально данные по свободномолекулярной проводимости цилиндрического канала с атомарно-чистой металлической поверхностью и поверхностью, покрытой адсорбатом, для ряда инертных газов {Не, Не, Аг, Кг);
новым результатом является обнаруженная слабая зависимость газовой проводимости каналов с чистой металлической поверхностью от природы металла (Л§, ГО;
к новым относятся данные по коэффициентам диффузносги рассеяния инертных газов на различных поверхностях, полученные путём сравнения результатов численного моделирования процесса свободномолекулярного течения газа в цилиндрическом канале с результатами выполненного эксперимента;
новыми являются результаты комплексного исследования методом Монте- Карло влияния геометрии канала, шероховатости поверхности и коэффициента диффузности на свободномолекулярное течение газа в прямоугольном канале.
4. Научная и практическая ценность.
предложена методика приготовления внутренней поверхности цилиндрического канала в виде тонкой плёнки атомарно-чистого металла;
выявлены закономерности влияния химического состава поверхности на газодинамическую проводимость цилиндрического канала в свободномолекулярном режиме течения;
получены коэффициенты диффузносги для систем «инертный газ - атомарночистая поверхность металла {¿¿, 77)» и «инертный газ - адсорбат», которые могут быть использованы при практических расчетах;
в рамках метода Монте-Карло предложена процедура моделирования течения газа в канале с неоднородным химическим составом поверхности;
разработан программный продукт, с помощью которого возможно моделировать поведение газовых молекул в ограниченном пространстве, изменяя форму ограничивающей поверхности, закон рассеяния на поверхности, температуру поверхности и начальное распределение частиц в объёме.
5. Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
• методика экспериментального исследования свободномолекулярного течения газа в цилиндрическом канапе с поверхностью контролируемого состава;
• экспериментальная зависимость свободномолекулярной проводимости канала от состояния поверхности и рода газа;
• положение о том, что проводимость канала с атомарно-чистой поверхностью металла существенно превышает проводимость канала с поверхностью, полностью покрытой адсорбатом;
• зависимость газодинамической проводимости цилиндрического канала в процессе экспозиции от степени покрытия поверхность канала кислородом, полученная с использованием метода Монте-Карло;
• результаты численного моделирования свободномолекулярного течения газа в каналах методом Монте-Карло с учётом шероховатости поверхности и произвольной аккомодацией молекул на поверхности.
• результаты численного моделирования процесса релаксации разреженного газа в ограниченном пространстве.
6. Достоверность результатов обеспечивается: использованием проверенных практикой современных представлений и моделей; применением апробированных экспериментальных методик; совпадением полученных результатов в предельных случаях с наиболее надёжными экспериментальными и теоретическими данными; применением ультравысоковакуумной техники и оборудования, обеспечивающего контроль состояния газовой фазы и поверхности независимыми взаимодополняющими методами; использованием современных методов статистической обработки и численного моделирования с применением многопроцессорной техники.
7. Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены автором лично. Экспериментальные исследования течения газа в канале с поверхностью титана проводились совместно с научным сотрудником А.В. Накаряковым. Обсуждение направления исследований, формулирование задач и обсуждение результатов осуществлялось совместно с научным руководителем профессором С.Ф. Борисовым. Проблемы интерпретации экспериментальных результатов, постановки частных задач по моделированию обсуждались совместно с доцентом А.Н. Кулёвым. Численное моделирование, анализ и обобщение полученных данных, формулировка выводов по результатам исследований проведены автором диссертации лично.
Основная часть работы, связанная с численным моделированием, выполнена с применением многопроцессорной Супер-ЭВМ МВС 100 Института математики и механики УрО РАН путём использования канала удалённого доступа.
8. Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались:
• на Четвертой Научно - Технической конференции с участием зарубежных специалистов “Вакуумная наука и техника” (г. Гурзуф, 23-30 сентября 1997г.);
• на V Международной конференции молодых учёных “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (г. Новосибирск, 27-30 апреля 1998г.);
• на Второй Национальной Конференции по Теплообмену (г. Москва, 26-30 октября 1998 г.);
• на международном симпозиуме: 32-th IUVSTA Workshop On Gas-Surface In¬teraction (St-Petersburg, 25-29 September 2000);
Отдельные части работы представлены на Второй Научно - Технической конференции с участием зарубежных специалистов “Вакуумная наука и техника” (г. Гурзуф, октябрь 1995г); Всероссийской Научной - Технической конференции “Физика конденсированного состояния” (г. Стерлитамак, 22-25 сентября 1997г.); 21-th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Marseille, 26-31 July 1998); 22-th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Sydney, 22-29 June 2000); Международной Научно-практической конференции “Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики” (г. Новочеркаск, октябрь 2000).
9. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи. Список работ приведён в конце реферата.
10. Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объём работы составляет 130 страниц, включая 51 рисунок и 15 таблиц. Список литературы содержит 105 наименований.
1. Разработана методика исследования зависимости газовой проводимости канала от изменяющихся условий на поверхности на основе использования процедуры вакуумного напыления металла на внутреннюю поверхность канала с последующей адсорбцией газов и применения дифференциального микроманометра емкостного типа, обеспечивающего с высокой точностью измерение времени релаксации систем, возмущенных скачком давления.
2. Предложена методика приготовления внутренней поверхности цилиндрического канала путём термического напыления в глубоком вакууме. Данная методика позволяет получать тонкую плёнку металла атомарно-чистого состава.
3. С использованием сверхвысоковакуумного комплекса проведено экспериментальное исследование рассеяния газовых молекул поверхностью твёрдого тела в зависимости от химического состава методом измерения свободномолекулярной газодинамической проводимости канала. Обнаружено что, в случае длинного цилиндрического канала в свободномолекулярном режиме течения наблюдается воспроизводимое влияние характера рассеяния молекул поверхностью на газодинамическую проводимость канала. Характер рассеяния существенным образом зависит от химического состава поверхности.
4. На основании полученных экспериментальных данных сформулированы основные положения, отражающие характер влияния химического состава поверхности на газодинамическую проводимость цилиндрического канала в свободномолекулярном режиме. В частности:
• газовая проводимость канала с атомарно-чистой поверхностью металла существенно превышает проводимость канала с поверхностью, полностью покрытой адсорбатом;
• наблюдается ярко выраженная зависимость газовой проводимости канала с атомарно-чистой поверхностью металла от рода газа;
• проводимость канала с поверхностью, полностью покрытой адсорбатом, слабо зависит от природы подложки и рода газа.
5. В рамках существующего формализма в описании рассеяния молекулярных пучков поверхностью твёрдого тела дана качественная интерпретация полученных экспериментальных данных.
6. С использование метода пробной частицы Монте-Карло выполнено численное моделирование процесса свободномолекулярного течения газа в цилиндрическом канале, соответствующего условиям выполненного в работе физического эксперимента. Определены параметры, характеризующие границу раздела “газ - твёрдое тело”, - коэффициенты диффузности для различных поверхностей и газов.
7. В рамках метода Монте-Карло предложена процедура моделирования течения газа в канале с неоднородным химическим составом поверхности, которая была использована для исследования влияния степени покрытия поверхности кислородом на газодинамическую проводимость цилиндрического канала в процессе экспозиции. Получено удовлетворительное согласие с экспериментальными данными.
8. С использованием численного моделирования исследовано влияние структуры поверхности на свободномолекулярное течение газа в прямоугольном канале. Показано, что так называемое “сверхдиффузное” рассеяние, наблюдаемое в ряде экспериментов по течению является результатом неучёта фактора шероховатости. Учёт этого фактора приводит к удовлетворительному согласию расчётных и экспериментальных данных.
9. Методом прямого статистического моделирования Монте-Карло исследован процесс релаксации разреженного газа в ограниченном пространстве. Получена картина релаксации основных параметров, описывающих поведение газа, для различной формы ограничивающей поверхности.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
