Министерство общего и профессионального образования РФ Московский физико-технический институт (государственный университет)

Министерство общего и профессионального образования РФ
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Факультет молекулярной и биологической физики
Кафедра физики высокотемпературных процессов
СБОРНИК ПРОГРАММ
по специальности 010300
“Прикладные математика и физика”
Москва 2005 г.
2
Программы утверждены на заседании
Кафедры физики высокотемпературных процессов
“_____” ______________________2005 г.
Заведущий кафедрой, академик
В.Е.Фортов
2
3
СОДЕРЖАНИЕ
№
Наименование курса
1
Физические свойства плазмы
2
Основы газовой динамики
3
Современные проблемы
теплофизики
и энергосберегающие
технологии
Физика высоких плотностей
энергии
Термодинамика необратимых
процессов
Магнитная гидродинамика
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Термодинамика
конденсированного состояния”
Экспериментальная магнитная
гидродинамика
Методы получения и
диагностика газоразрядной
плазмы
Физико-химические процессы в
неравновесной плазме
Электрофизические процессы в
импульсной энергетике
Физико-химические процессы в
газовой динамике
Курс/семестр
(колич. часов)
4/7
(34 часа)
4/7
(34 часа)
4/7
(34 часа)
4/8
(32 часа)
4/8
(32 часа)
4/8
(32 часа)
5/9
(34 часа)
5/9
(34 часа)
5/9
(34 часа)
5/10
(32 часа)
5/10
(32 часа)
5/10
(32 часа)
Ф.И.О. преподавателя
Стр.
Д.т.н., профессор
Э.И.Асиновский
Д.т.н., профессор
С.А.Медин
Академик А.Е.Шейндлин,
Д.т.н., профессор
В.И.Ковбасюк
4
Академик В.Е.Фортов
9
Д.т.н., профессор
Э.И.Асиновский
Д.т.н., профессор
С.А.Медин
К.ф.-м.н. Ломоносов И.В
11
Д.т.н., профессор
Е.Ф.Лебедев
Член-корреспондент РАН
В.М.Батенин
16
Д.ф.-м.н.,профессор
Р.Х.Амиров
Д.т.н., профессор
Е.Ф.Лебедев
К.ф.-м.н. В.В.Шумова
20
5
7
12
14
18
21
23
3
1. “Физические основы плазмы”
Д.т.н., профессор Асиновский Э.И.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Понятие газовой плазмы (6 часов)
Парадокс Ленгмюра. Масштабы квазинейтральности плазмы. Экранирование заряда в
плазме. Ленгмюровсие волны. Микрополе. Приближение Хольцмарка. Штарковское
уширение спектральных линий в плазме.
2. Термическая ионизация (2 часа).
Уравнение Саха. Оптическая пирометрия плазмы.
3. Неравновесные явления в плазме газового разряда (2 часа)
Отрыв электронной температуры в положительном столбе тлеющего разряда.
Ионизационная неравновесность.
4. Неидеальная плазма (4 часа).
Статсумма атома в плотном газе. Кластерная плазма. Статсумма атома в плазме.
Дебаевская плазма.
5. Элементарные процессы (4 часа)
Кулоновские столкновения. Упругие столкновения ионов с атомами. Перезарядка.
Упругие столкновения электронов с атомами. Эффект Рамзауэра. Ионизация атомов
электронным ударом. Коэффициент Таунсенда.
6. Кинетика (10 часов)
Уравнение Больцмана. Приближение лорентцева газа.
Процессы переноса в
слабоионизованной плазме. Электрический ток. Термодиффузия. Тепловой поток.
Диффузионное приближение. Уравнение Фоккера-Планка. Коэффициент динамического
трения в сильноионизованной плазме. “Убегающие” электроны. Особенности процессов
переноса в частичноионизованной плазме. Приближение Ланжевена. Амбиполярная
диффузия. Реакционная теплопроводность.
7. Радиационный перенос возбуждения (2 часа)
Уравнение Бибермана-Холстейна. Метод эффективного времени жизни.
8. Плазма без столкновений (4 часа)
Уравнение Власова. Приближение “холодной” плазмы. Дисперсия Ленгмюровских волн.
Затухание Ландау.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ЛИТЕРАТУРА
Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. М.; Наука, 1964 - 568 с.
Лившиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.; Наука, 1979-528 с.
Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной
низкотемпературной плазмы. М.; Наука, 1982 - 376 с.
Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. М.; Наука, 1976 - 240 с.
Асиновский Э.И., Кириллин А.В., Низовский В.Л. Стабилизированные дуги и их
применение в теплофизическом эксперименте. М.; Наука 1992 - 264 с.
Асиновский Э.И. Элементарные и коллективные процессы в низкотемпературной
плазме. М.; ИВТАН, 1993 - 79 с.
5
2. “Основы газовой динамики”
Д.т.н., профессор Медин С.А.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Уравнения газовой динамики
Интегральные уравнения сохранения массы, импульса и энергии. Поверхностные и
объёмные силы, механическая работа сил, внешние и внутренние источники тепла.
Уравнение состояния. Интегродифференцияльная форма уравнений сохранения.
Квазиодномерное приближение, физические ограничения и оценки главных членов.
Модели квазиодномерных течений. Осреднение параметров течения в поперечном сечении
канала. Различные формы записи квазиодномерных уравнений газовой динамики.
2. Стационарное изэнтропическое течение
Интегралы квазиодномерных уравнений изэнтропического течения. Идеальная адиабата.
Безразмерные параметры и газодинамические функции. Задача истечения газа из насадка,
докритический и критический режимы истечения.
3. Обращение воздействий в газодинамике
Уравнения обращения воздействий. Анализ влияния физических воздействий на
изменение параметров течения. Условия перехода через скорость звука и способы
получения сверхзвуковых потоков. Влияние трения и теплообмена на течение в сопле
Лаваля.
4. Прямой скачок уплотнения
Уравнения сохранения на скачке. Соотношение между скоростями до и после скачка
(уравнение Прандтля). Ударная адиабата для идеального газа. Отношение давлений на
скачке, коэффициент потерь полного давления. Диссипативные потери в скачке и
направление изменения параметров. Асимптотические соотношения для сильного и
слабого скачков.
5. Течение в трубе с трением
Постановка задачи, возможные режимы течения и граничные условия. Интегралы
уравнений течения. Дозвуковое течение, докритический и критический режимы.
Сверхзвуковое течение, условия существования непрерывного решения. Смешанные
течения, критические и докритические режимы, определение положения скачка и условия
реализации течений.
6. Нестационарные одномерные течения
Изэнтропическое течение, инварианты Римана и характеристики. Бегущие волны,
эволюция волн сжатия и разрежения. Задача о поршне, центрированная волна разрежения,
истечение в вакуум; течение со скачком. Течение в ударной трубе, зависимость
параметров пробки от начальных условий, предельные характеристики ударной трубы.
7. Плоские сверхзвуковые течения
Косой скачок уплотнения. Уравнения сохранения на косом скачке. Интенсивность косого
скачка, пределы изменения угла наклона косого скачка. Соотношение между скоростями
на косом скачке. Поворот потока на косом скачке, отсоединение косого скачка. Отражение
и пересечение косых скачков. Маховское отражение. Слабый косой скачок. Течение
Прандтля-Майера. Связь между углом поворота потока и числом Маха. Обтекание
выпуклого угла, предельное значение угла поворота потока.
8. Течения в соплах, диффузорах и аэродинамических трубах
5
6
Течение в сопле. Нерасчетные режимы течения в сопле Лаваля. Диссипативные потери в
сопле, коэффициент потерь полного давления, к.п.д. сопла, коэффициент расхода. Течение
в диффузоре, геометрические конфигурации и характеристики сверхзвуковых диффузоров.
К.п.д. диффузора, коэффициент потерь полного давления. Отрыв пограничного слоя в
диффузоре. Течение в аэродинамической трубе, термодинамический цикл и
характеристики аэродинамической трубы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика.М.: Наука, 1976. 888с.
2. Липман Г.В., Рошко А. Элементы газовой динамики, М.: ИИЛ, 1960. 520с.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 736с.
6
7
3. “Современные проблемы теплофизики
и энергосберегающие технологии”
Академик Шейндлин А.Е.,
Д.т.н., профессор Ковбасюк В.И.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Термодинамические подходы и методы в исследовании прикладных задач
теплоэнергетики. Анализ эффективности и синтез схем новых энергетических
установок
1.1. Основные направления совершенствования энергогенерирующих установок увеличение эффективности, снижение капиталоемкости, защита окружающей среды.
1.2. Пути повышения термического к.п.д. - увеличение верхней температуры цикла,
регенерация в циклах, бинарные и более сложные циклы.
1.3. Новые и перспективные энергетические установки.
2. Энергоносители, их характеристика, оптимальные пути применения, ресурсы и
перспективы использования. Экологические ограничения по использованию
2.1. Твердое топливо - значительные ресурсы, добыча и экономичность,
современные методы сжигания и использования тепла твердого топлива, переработка в
жидкое и газообразное топливо, проблемы и методы очистки выбросов и ограничения в
связи с борьбой с “парниковым” эффектом.
2.2. Жидкое топливо - особенности и преимущества двигателей на жидком
горючем, основные моторные топлива из нефти и синтетические жидкие топлива, оценки
перспектив использования и экологические аспекты.
2.3. Природный газ - аспекты использования в энергетике как чистого и
чрезвычайно эффективного топлива, ресурсы и перспективы.
2.4. Проблемы вовлечения в оборот низкокачественных топлив.
2.5. Энергетическое использование отходов и экономические и экологические
аспекты такого использования отходов.
2.6. Газификация топлив как средство решения комплекса проблем
совершенствования схем и циклов энергоустановок и защиты окружающей среды. Оценки
перспектив.
3. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Альтернативная
энергетика
3.1. Комбинированное производство продукции и энергии
3.2. Биопроизводство и энергетика
4. Защита окружающей среды в сферах энергетики, энергоемкого промышленного
производства, термической утилизации отходов
4.1. Основные загрязнители и перспективные методы предотвращения экологически
вредных выбросов (атмосферные загрязнения, сточные воды, золоотвалы)
4.2. Выбросы высокой токсичности (фенолы, бензапирены, диоксины), их
источники и предотвращение
4.3. Парниковый эффект
7
8
5. Технологии плазменного уровня температур в промышленности,
энергетике, экологии
5.1 Низкотемпературная плазма, ее получение, использование в энергоемких
производствах
5.2. Плазма в МГД-генераторах
5.3. Другие применения плазмы в энергетике - инициирование горения твердого
топлива, плазмотермическая конверсия органических материалов
5.4. Плазмохимия, плазменная металлургия
5.5. Плазменные технологии в экологии (очистка газовых выбросов,
обеззараживание вредных веществ) и энергетике
6. Разработка технологий высокого уровня температур - основной фактор прогресса в
рассматриваемых выше сферах человеческой деятельности
ЛИТЕРАТУРА
8. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.,
Энергия, 1979, 512 с.
9. Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки. Под ред Ключникова
А.Д., М., Энергоатомиздат, 1989, 336 с.
10. Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля. М., Энергоатомиздат, 1983,
328 с.
11. Асланян Г.С., Шпильрайн Э.Э., Кузьминов В.А. Твердое солнце земли. М.,
Наука,
1990, 176 с.
12. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в
машиностроении. Л-д., Машиностроение, 1979, 220 с.
13. Архипов Л.И., Удыма П.Г. Энергосберегающая технология защиты окружающей
Среды. М., МЭИ, 1988, 110 с.
14. Доусон Г., Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов. М., Стройиздат, 1996, 288 с.
8
9
4. “Физика высоких плотностей энергии”
Академик Фортов В.Е.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Теоретические модели уравнений состояния вещества
Общий анализ фазовой диаграммы. Квантовомеханические модели твердого тела. Модели
жидкого состояния. Термодинамика плазмы. Фазовые переходы.
2. Статические и динамические методы генерации экстремальных состояний
Сосуды высокого давления. Алмазные наковальни. Электрический взрыв проводников.
Адиабатическая труба. Сжатие магнитным полем. Пинчи. Изэнтропическое сжатие.
Ударноволновое сжатие.
3. Ударноволновые методы исследования
Метод торможения. Ударные адиабаты веществ-эталонов. Метод отражения. Ударное
сжатие пористых образцов. Квазиизэнтропическое ударное сжатие. Измерение
термодинамики ударно-сжатого вещества. Температурные регистрации. Изэнтропическое
расширение.
4. Экспериментальные способы генерации ударных волн
Ударные трубы. Плоские метательные системы. Кумулятивные метательные устройства.
Сферические и конические системы. Одно- и двухступенчатые легкогазовые пушки.
Электрические пушки. Рельсотроны.
5. Сверхвысокие давления
Мощные подземные взрывы. Проблема выбора эталона. Новые методы абсолютных
регистраций. Лазерная генерация ударных волн. Пучки релятивистских электронов,
тяжелых и легких ионов.
6. Полуэмпирические способы описания термодинамики неидеальных сред
Квазигармоническое приближение. Уравнение состояния Ми-Грюнайзена. Эффекты
ангармонизма. Вклад свободных электронов. Плавление. Упрощенные уравнения
состояния. Фазовые границы
7.Экстремальные состояния в энергетике
Управляемый термоядерный синтез с инерционным удержанием плазмы. Взрывные МГДгенераторы. Импульсные МГД-генераторы на горении твердых топлив. Мощные
источники СВЧ излучения. Иммитация ударов молнии. Поиск полезных ископаемых.
8.Космические исследования
Строение планет-гигантов. Неидеальная плазма звезд. Противометеоритная защита
космических аппаратов и Земли
9.Проблемы безопасности в энергетике.
Ядерная энергетика. Водородные и газовые взрывы. Переход горения в детонацию.
Взрывная прочность защитных конструкций
9
10
10.Математическое моделирование импульсных процессов.
Многомерная газодинамика с учетом уравнения состояния, кинетики, транспортных
свойств и физико-химических превращений. Расчет на массивно-параллельных ЭВМ
ЛИТЕРАТУРА
1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статическая физика. М.: Наука, 1976.
3. Физика высоких плотностей энергии /Под ред. П.Кальдиролы, Г.Кнопфеля. М.: Мир,
1974.
4. Высокоскоростные ударные явления /Под ред. Р.Кинслоу. М.: Мир, 1974.
5. Альтшулер Л.В. УФН, 1965, т.85, с.197.
6. Фортов В.Е. УФН, 1982, т.138, с.361.
7. Бушман А.В., Фортов В.Е. УФН, 1983, т.140, с.177.
8. Анисимов С.И., Прохоров А.М., Фортов В.Е. УФН, 1984, т.142, с.395.
9. Бушман А.В., Канель Г.И., Ни А.Л., Фортов В.Е. Теплофизика и динамика
интенсивных импульсных воздействий. Черноголовка: ОИХФ АН СССР,1989.
10
11
5. “Термодинамика необратимых процессов”
Д.т.н., профессор Асиновский Э.И.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Баланс энтропии (2 часа)
Возрастание энтропии. Плотность источников энтропии. Поток энтропии.
2. Линейная термодинамика необратимых процессов (12 часов)
Принцип Кюри. Соотношение взаимности Онзагера. Обобщенные потоки и силы в
слабоионизованной
плазме. Термодиффузия. Эффект Томсона. Теплота переноса.
Термомолекулярная разность давлений. Электроосмос. Эффекты Холла и Нернста.
Химические реакции. Линейное приближение. Сопряжение. Кинетика двухтемпературной
плазмы. Доказательство соотношения взаимности Онзагера. Микроскопическая
обратимость.
3. Стационарные неравновесные (10 часов)
Принцип Пригожина. Задача Клейна. Теплопроводность. Уравнение Эйлера-Лагранжа.
Каналовая модель дуги. Функция Ляпунова. Принцип ле Шателье- Брауна. Устойчивость
относительно диффузии. Колебательные химические реакции. Модели Лотки и Вольтерра.
Реакция Белоусова - Жаботинского. Неравновесные фазовые переходы. Модель Шлегля.
Тепловая контракция электрического разряда. Модель Дыхне.
4. Химические фронты и (8 часов)
Уравнение Колмогорова-Петровского-Пискунова. Автоволновые процессы. Страты в
плазме. Фазовая и групповая скорость. Ионизационные волны в распределенных системах.
Слабозатухающие релятивистские волны пробоя. Эффект Ганна.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ЛИТЕРАТУРА
Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. М.: Изд-во иностр.
лит-ры, 1960 - 128 с.
Волькенштейн М.В. Биофизика. М.: Наука, 1981 - 576 с.
Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессов (Введение в теорию
диссипативных структур). М.: Мир, 1979 - 280 с.
Ланда П.С. Автоколебания в распределенных системах. М.: Наука, 1983-320 с.
Баренблатт Г.И. Подобие, автомодельность, промежуточная ассимптотика (Теория и
приложения к географической гидродинамике). Л.:Гидрометеоиздат, 1982 - 256 с.
Асиновский Э.И., Амиров Р.Х., Марковец В.В., Панфилов А.С., Самойлов
И.С.
Волновой пробой в распределенных системах. В кн.: Диагностика низкотемпературной
плазмы. Новосибирск: ВО “Наука”, 1994. С.373-419.
11
12
6. “Магнитная гидродинамика”
Д.т.н., профессор Медин С.А.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Уравнения электродинамики
Уравнения Максвелла. Нерелятивистское приближение, преобразование Лоренца. Закон
Ома. Электродинамические условия на поверхностях разрыва. Уравнения сохранения
электрического заряда, импульса и энергии электромагнитного поля. Пондеромоторная
сила, тензор плотности потока импульса, плотность потока энергии, плотность работы
поля над веществом.
2. Уравнения магнитной гидродинамики
Интегральные и дифференциальные уравнения сохранения массы, импульса и энергии
вещества. Условия на поверхности разрыва. Магнитогидродинамическое приближение,
физические ограничения и оценка главных членов в уравнениях Максвелла. Уравнение
индукции, вмороженность и диффузия магнитного поля. Критерии подобия магнитной
гидродинамики.
3. Поверхности разрыва
Соотношения на поверхностях разрыва. Классификация поверхностей разрыва. Прямой
скачок в идеально проводящей среде, отношение плотностей и допустимые начальные
скорости. Ударная адиабата для совершенного газа.
4. Магнитогидродинамические волны
Невозмущенное состояние и линеаризация уравнений. Альфвеновские волны.
Магнитозвуковые волны. Векторные диаграммы магнитогидродинамических волн.
Диссипативное затухание альфвеновских волн.
5. Магнитостатика
Равновесие проводящей жидкости в магнитном поле. Условие равновесия ограниченного
объема. Равновесные цилиндрические конфигурации, z-пинч и -пинч. Задача
устойчивости скинированного z – пинча. Постановка задачи и линеаризация уравнений.
Дисперсионное уравнение. Перестановочная и винтовая моды неустойчивости, способы их
подавления, области существования устойчивых конфигураций.
6. Задача Гартмана
Постановка задачи Гартмана. Распределение скорости, эффект Гартмана, гидравлическое
сопротивление. Распределение давления, пинч-эффект. Распределения плотности тока и
магнитного поля, эффект конвекции магнитного поля.
7. Квазиодномерное приближение
Уравнения сохранения массы, импульса и энергии среды. Электродинамические
уравнения, осреднение гидродинамических параметров потока. Электродинамические
параметры канонического потока, осреднение закона Ома, случаи Rem1 (МГДускоритель) и Rem1 (МГД-генератор).
8. Обращение воздействий в магнитной гидродинамике
Уравнения обращения воздействий. Анализ МГД-воздействий на течение в канале
постоянного сечения. Генераторный, ускорительный и тормозной режимы течения,
эффекты механического и теплового воздействий. M, u – диаграмма, свойства и
предельные режимы течения в МГД-устройствах.
9. МГД – течения в каналах
Пограничный слой на стенках каналов. Уравнения сохранения и электродинамические
соотношения. Граничные условия и сопряжение с уравнениями ядра потока. Особенности
течений на электродных и изоляционных стенках. Вторичные течения, механизм
12
13
генерации вторичных течений токами Холла. Численное моделирование вторичных
течений. Магнитоаэротермическая неустойчивость. Концевые электродинамические
эффекты в МГД-каналах. Влияние распределения магнитного поля на концевые эффекты.
Эффект Холла в канале с секционированными электродами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. 624с.
2. Шерклиф Дж. Курс магнитной гидродинамики. М.: Мир, 1967. 320с.
3. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. Магнитная гидродинамика, М.: Физматгиз, 1962. 248с.
13
14
7. “ Термодинамика конденсированного состояния ”
К.ф.-м.н. Ломоносов И.В
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Предмет
курса.
Необходимость
и
актуальность
исследований
термодинамических свойств конденсированной фазы веществ в условиях высоких
концентраций энергии. Примеры.
1. Экспериментальные методы исследований при высоких давлениях и
температурах
1.1. Общий анализ фазовой диаграммы
1.2. Сосуды высокого давления: измерения p(V,T) и p-T диаграмм
1.3. Алмазные наковальни
1.4. Импульсный изобарический нагрев (IEX)
1.5. Измерения ударной сжимаемости веществ, методы торможения и отражения
1.6. Сверхвысокие давления, проблема выбора эталона
1.7. Ударное сжатие пористых образцов
1.8. Измерения скорости звука в ударносжатом веществе, методы боковой и
догоняющй разгрузки, оптический метод (overtaken technique)
1.9. Метод изэнтропического расширения, инварианты Римана
1.10. Построение термодинамически полных УРС по результатам динамических
измерений - определение температуры и энтропии на ударной адиабате, построение T(p,V)
по E(p,V)
2. Теоретические модели УРС
2.1. Типы кристаллических решеток, о.ц.к. и г.ц.к. решетки, понятие решетки
Бравэ, ячейки Вигнера-Зейтца
2.2. Общие свойства для периодических решеток, граничные условия, число
состояний, зонный спектр
2.3. Приближение сильной связи
2.4. Приближение слабой связи
2.5. Метод ячеек, MT - потенциал
2.6. Метод присоединенных плоских волн
2.7. Метод гриновских функций RRH (Корринга-Кон-Ростокер)
2.8. Метод ортогонализованных плоских волн
2.9. Метод псевдопотенциала
2.10. Теория Томаса-Ферми
2.11. Теория жидкого состояния, понятия парной корреляционной функции и
структурного фактора
2.12. Интегральные уравнения Борна-Грина-Ивона, Перкуса-Иевика, гиперцепное
приближение, решение уравнения Перкуса-Иевика для потенциала твердых и мягких сфер
3. Полуэмпирические модели УРС
3.1. Модели Эйнштейна и Дебая твердого тела
3.2. УРС Ми-Грюнайзена, связь коэффициента Грюнайзена с параметрами кривой
упругого сжатия
3.3. Потенциалы Борна-Майера, Берча-Мурнагана, Морзе; проблема описания
сильносжатых состояний при T=0 К
14
15
3.4. Плавление, критерии плавления, учет эффектов ангармонизма тепловых
колебаний атомов решетки по Кормеру, способы описания жидкой фазы
3.7. Термодинамика электронной компоненты в различных областях фазовой
диаграммы
3.8. Аппроксимационные УРС
3.9. Глобальные УРС, проблема термодинамической согласованности
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушман А.В., Фортов В.Е. Модели уравнения состояния вещества // УФН.
- 1983.Т.140. - С.177-232.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1976.
3. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и
высокотемпературных
гидродинамических явлений. - М.: Наука, 1966.
4. Физика высоких плотностей энергии / Ред. П.Кальдирола, Г.Кнопфель.
- М.:
Мир, 1974.
5. Бушман А.В., Канель Г.И., Ни А.Л., Фортов В.Е. Теплофизика и динамика
интенсивных импульсных воздействий. - Черноголовка: ОИХФ АН
СССР, 1988.
6. Альтшулер Л.В. Применение ударных волн в физике высоких давлений //
УФН. 1965. - Т.85. - С.197-258.
7. Жарков В.Н., Калинин В.А. Уравнения состояния твердых тел при высоких давлениях
и температурах. - М.: Наука, 1968.
8. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, т.1,2. - М.: Мир, 1979.
9. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. - М.: Наука, 1986.
10. Физика простых жидкостей / Ред. Темперли - М.: Мир, 1971.
Дополнительная литература
1. Jayaraman A. Diamond anvil cell and high pressure physical investigation // Rev. Mod.
Phys. - 1983. - V.55 - P.65-108.
2. Gathers G.R. Dynamic methods for investigating thermophysical properties of matter a very
high temperatures and pressures // Rep. Progr. Phys. - 1986. - V.49. P.341-396.
3. Godwall B.K., Sikka S.K., Chidambaram R. Equation of state theories of condensed matter
up to about 10 TPa // Phys. Rep. - 1983. - V.102. - P.121197.
4. Barker J.A., Henderson D. What is “liquid”? Understanding the states of matter // Rev. Mod.
Phys. - 1976.- V.48. - P.587-671.
5. Ailawadi N.K. Equilibruim theories of simple liquids // Phys. Rep. - 1980. V.57. P.241-306.
Источники по разделам курса:
1: [1,3-6,11-12]
2: [1-6,8-10,13-15]
3: [1-8]
15
16
8. “Экспериментальная магнитная гидродинамика”
Д.т.н., профессор Лебедев Е.Ф.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Задачи современного магнитогидродинамического эксперимента
Классификация МГД установок. Физические процессы, исследуемые в магнитной
гидродинамике.Диапазоны измеряемых магнитогидродинамических величин. Примеры
постановки исследований в прикладной магнитной гидродинамике. Проблемы
согласования расчетных и экспериментальных данных.
2. Основные требования к экспериментальному оборудованию
Типичные блок-схемы измерительных устройств. Влияние согласования элементов
измерительных устройств на искажение сигналов и точность измерений. Эквивалентные
схемы основных элементов блок-схем. Переходные и частотные характеристики.
Основные правила согласования в измерительных устройствах и характерные искажения
сигналов при рассогласовании. Элементы импульсной техники
3. Методы фотографической регистрации плазменных потоков
Методы фоторегистрации и покадровой съемки. Сверхскоростная фоторегистрация.
Синхронизация СФР-съемки с сигналами электронной регистрирующей аппаратуры.
Быстродействующие механические и взрывные затворы. Некоторые специальные системы,
расширяющие возможности механических оптических камер.
Электронно-оптические системы. Преимущества и особенности ЭОП. Однокадровые и
многокадровые ЭОП. Применение ЭОП для регистрации контуров спектральных линий.
Промышленные приборы.
4. Измерение давлений в движущейся плазме
Мембранные датчики. Пьезодатчики, особенности включения в схему измерений и
тарировка. Измерение скорости пьезодатчиками и ионизационными зондами. Пьезодатчик,
экранированный
от переменных магнитных полей. Пьезодатчик, гальванически
изолированный от плазмы..
5. Методы измерений плотности плазменных потоков. Визуализация
слабосветящихся образований.
Теневой метод. Шлирен-метод Теплера. Источники подсветки. Трассирование
плазменных потоков электронным пучком и б -частицами. Измерение плотности плазмы
по поглощению рентгеновских лучей. Оптическая интерферометрия плазмы. Метод двух
длин волн для измерения ne и с.
6. Измерение электропроводности движущейся плазмы
Электродный метод. Метод измерения электропроводности по изменению добротности LC - контура. Метод вытеснения стационарного магнитного поля. Методические и
инструментальные погрешности измерений.
7. Тепловые потоки на стенки МГД-каналов
Применение
термоанемометра.
Болометрические
датчики.
Термопарные
быстродействующие датчики. Калориметрические измерители полной энтальпии плазмы.
Обработка результатов измерений тепловых потоков.
8. Электродинамика индуцированных полей
Некоторые особенности измерений и обработки при измерениях с целью оценки
энергетических
характеристик
МГД-процессов.
Измерения
стационарных
и
индуцированных магнитных полей. Измерение плотности тока в плазме поясами
Роговского. Измерение мощных токов в разрядных цепях. Измерение напряженности
16
17
электрического поля в плазме и импульсных напряжений.
9. Способы получения мощных плазменных потоков.
Ударные
трубы.
Основные
закономерности
процессов.
Диафрагменные
и
электроразрядные ударные трубы. Подогревные ударные трубы. Ударные трубы с
применением взрывчатых веществ. Двухступенчатые ударные трубы. Основные
результаты плазмофизических и МГД-исследований, полученные на ударных трубах.
Плазмотроны.
10. Приборное оборудование современных
экспериментальных установок
Схемы формирования мощных импульсов тока и напряжения для питания генераторов
плазмы. Синхронизация и управление установками. Элементы автоматизации с помощью
ЭВМ. Типы основных электронных приборов и их характеристики. Некоторые
специальные магнитогидродинамические и плазмофизические устройства, использующие
экстремальные электрические токи и напряжения. Получение мегагаусных магнитных
полей.
11. Методы устранения электромагнитных и акустических помех при проведении
экспериментов
Характерные значения измеряемых сигналов и токов в основных цепях установок.
Влияние пульсации цепей питания приборов. Наводки от радио и видеочастотных
сигналов. Наводки от “вынесенного” потенциала. Организация измерений с изоляцией
датчиков относительно плазмы с высоким потенциалом. Характерные особенности
измерений в замагниченной плазме. Наводки, распространяемые по цепям заземления.
Сводка основных правил при измерениях в условиях помех. Высокочастотные и
оптронные развязки.
12. Коллоквиум по основам электроники
Основные сведения по электронике, необходимые экспериментатору. Частотные и
переходные характеристики L -R, R - C и L - C цепей. Широкополосные усилители
сигналов. Схемы формирования импульсных сигналов различной формы. Устройство и
работа импульсного осциллографа. Схемы синхронизации и задержки импульсов.
Применение аналого-цифровых преобразователей и ЭВМ для регистрации и обработки
сигналов. Практическая демонстрация диагностических устройств, рассмотренных на
лекциях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Диагностика плазмы. Под ред. Хаддлстоуна, 1977, М.: ИЛ, 360 с.
2. Нестерихин Ю.Е., Солоухин Р.И., Методы скоростных измерений в газодинамике и
физике плазмы, М.: Наука, 1967, 96 с.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, М.: Физматгиз, 1988,
407 с.
17
18
9. “Методы получения и диагностика газоразрядной плазмы“
Член-корреспондент РАН Батенин В.М.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Элементарные процессы в плазме газового разряда. Сечения и константы скорости
основных процессов. Роль излучения. Типы газового разряда.
2. Газовый разряд постоянного тока низкого давления. Структура разряда, роль
приэлектродных процессов. Положительный столб разряда. Основные процессы,
определяющие параметры плазмы. Методы управления параметрами плазмы.
3. Электрическая дуга постоянного тока. Реализация, феноменологическое описание.
Модельные описания и количественная связь параметров плазмы с вводимой мощьностью.
Предельные параметры плазмы и роль излучения.
4. Равновесие в плазме электрической дуги. Влияние внешних факторов (проток газа,
интенсивное охлождение и геометрия канала и т.п.) на параметры плазмы. Вакуумные и
примесные дуги. Практические применения.
5. СВЧ - разряды. Методы управления параметрами. Особеннности поведения плазмы в
СВЧ-поле, СВЧ - пробой и устойчивые состояния плазмы. Стационарный СВЧ - разряд,
условия существования, модельные описания, связь параметров плазмы с подводимой
мощьностью. Особенности неровновесного состояния плазмы.
6. Движущиеся СВЧ - разряды. Основные механизмы распространения фронта разряда в
СВЧ поле. Количественное описание параметров плазмы за фронтом разряда. Методы
управления параметрами. СВЧ - разряд в магнитном поле.
7. Непрерывный оптический разряд. Оптический пробой и обеспечение стационарного
состояния плазмы в условиях поглощения лазерного излучения . Связь параметров плазмы
с вкладываемой мощьностью, устойчивость разряда.
8. Коническая оптика и новые возможности генерации протяженных плазменных
образований в бесселевых пучках лазерного излучения.
9. Основы диагностики плазмы газового разряда классификация методов
диагностики. Спектральные методы диагностики с использованием линейчатого
излучения. Диагностика пространственного неоднородных и оптически плотных
плазменных образований.
10. Использование непрерывного излучения для диагностики плазмы, эффекты
слабой неидиальности в непрерывном спекторе.
11. Аппаратура и практическая реализация совремынных методов спектральной
диагностики. Эталонные источники излучения.
12. Активные методы диагностики плазмы. Электрический зонд в плазме низкого
давления. Особенности использования зондов при повышенных давлениях. СВЧ методы
18
19
диагностики плазмы.
13.Лазерные методы диагностики. Новые возможности диагностики при использовании
лазерного излучения. Лазерные интерферометры, использование вынужденной
флуаресценции, лазерные доплеровские анемометры.
14. Основы физики рассеяния лазерного излучения в плазме. Спектр рассеянного
излучения и параметры плазмы. Современные системы регистрации рассеянного
излучения. Пределы применимости метода рассеяния.
15.Сопоставление различных методов диагностики, преимущества и недостатки
Возможности современных методов диагностики получать информацию о наиболее
важных параметрах плазмы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Т.1., М. ”Наука”, 1971.
2. Райзер Ю.П. “Физика газового разряда”, М.Наука, 1987.
3. Финкельнбург В., Меккер Г. “Электрические дуги и термическая плазма”, М. ИЛИ,
1961.
4. Батенин В.М., Климовский И.И. и др. “СВЧ - генераторы плазмы”, М.
Энергоатомиздат, 1988.
5. Пятницкий Л.Н. “Лазерная диагностика плазмы”, М. Атомиздат, 1976.
19
20
10. “Физико-химические процессы в неравновесной плазме”
Д.ф.-м.н., профессор Амиров Р.Х.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Процессы на электродах газовых разрядов. Работа выхода электронов из твердого
тела. Эффект Шоттки. Эмиссия электронов из твердых тел (автоэлектронная,
термоавтоэлектронная). Взрывная эмиссия. Взаимодействие частиц с поверхностью
твердых тел. Вторичная эмиссия под действием ионов (потенциальная и кинетическая).
Катодное распыление частиц твердого тела.
2. Электрический пробой газа. Ионизационный коэффициент Таунсенда. Методы
измерения. Одиночная электронная лавина. Искажение внешнего поля объемным зарядом.
Таунсендовский механизм пробоя. Кривые Пашена. Стримерный механизм пробоя.
Математическая модель стримера. Правила подобия. Самораспространение стримера.
СВЧ-пробой. Набор энергии электрона в переменном электрическом поле. Теория СВЧ
пробоя при низких и высоких давлениях. Оптический пробой. Влияние давления газа и
длины волны лазерного излучения. Многофотонная ионизация. Постановка задачи о
пробое на основе кинетического уравнения.
3. Плазмохимические процессы в плазме. Синтез озона в барьерном разряде.
Эффективность диссоциации кислорода электронным ударом. Конверсия атомарного
кислорода в озон. Интегральная модель озонатора. Синтез озона в криогенном
наносекундном разряде.
Неравновесные плазмохимические процессы. Принципиальная схема очистки дымовых
газов от окислов азота и серы радиационно-плазмохимическими методами. Получение и
прямые каналы использования активных радикалов. Факторы, определяющие
энергетическую эффективность. Применение стримерной короны для очистки газов.
Диссоциация СО2 в неравновесной плазме. Физическая кинетика диссоциации СО2 через
колебательное возбуждение основного электронного состояния.
4. Частицы в плазме. Диффузионная зарядка частицы. Зарядка частиц в электрическом
поле. Максимальная величина заряда частицы. Коронный разряд. Напряжение зажигания.
ВАХ короны. Дрейф заряженных частиц в поле. Эффективность электростатического
фильтра на основе коронного разряда.
5. Неустойчивости тлеющего разряда. Стабилизирующие и дестабилизирующие
факторы.
Ионизационно-перегревная
неустойчивость.
Способы
подавления
неустойчивости: комбинированные разряды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М.:Наука, 1980.
2. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.:Наука, 1987.
3. Райст П. Аэрозоли. М.Мир. 987.
4. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. М.:Атомиздат, 1975.
5. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. МФТИ, 1997.
20
21
11. “Электрофизические процессы в импульсной энергетике”
Д.т.н., профессор Лебедев Е.Ф.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение в импульсную энергетику
Общие понятия. Диапазон параметров. История развития, современные тенденции.
Уникальные установки для применения в научных исследованиях и технических жениях.
2. Первичные виды энергии, исследуемые в импульсных преобразователях
Расчетные формулы для удельного энергосодержания Ядерная энергия (радиоизотопы,
деление ядер, синтез ядер). Химическая энергия (взрывчатые вещества, жидкие топлива,
атомарный водород, метастабильный гелий). Тепловая энергия (литий, гидрид лития,
бериллий) Упругая энергия (стальная пружина, резина, сжатые газы). Механическая
энергия (маховики из стали и композитных материалов).
Гравитационная
нергия
(разгонные тележки). Электростатическая энергия (конденсаторы). Электромагнитная
энергия (индуктивные сверхпроводящие и теплые катушки). Разрешенные варианты
непосредственного превращения одного первичного вид энергии в другой.
3. Классификация импульсных источников энергии
Накопители энергии (атомные реакторы, химические топлива, нагретые тела, сжатые газы
и пружины, движущиеся объекты, электрические конденсаторы ииндуктивности).
Преобразователи энергии
(окисление, горение и взрыв, термоэлектрические и
термоэмиссионные, турбоэлектрогенераторы, гидрогенераторы, МГД-генераторы и
другие).
4. Накопители электрической энергии
Емкостные накопители. Устройство конденсаторов с высокими удельными параметрами.
Схемы коммутации на нагрузку, коммутаторы (механические, взрывные, разрядные).
Проблемы создания сверхмощных и сверхбыстрых батарей. Предельные энергетические
характеристики. Индуктивные накопители. Механические и электрические ограничения.
Конструкции катушек. Схемы запитки и разряда на нагрузки. Предельные коэффициенты
преобразования
энергии.
Размыкатели
индуцированных
токов
(взрывные,
плазмоэрозионные). Предельные удельные характеристики. Проблемы создания
сверхмощных и сверхэнергоемких индуктивных накопителей. Генераторы тока для
первичной запитки. Сверхпроводящие индуктивные накопители.
5. Импульсные преобразователи химической энергии в электрическую
Обобщенная схема преобразователя. Параметры движущихся электропроводящих тел и
магнитных полей. Основные уравнения генерации энергии и передачи в нагрузку.
Магнитная кумуляция. Взрывомагнитные генераторы (ВМГ). МГД-взрывные генераторы
(МГДВ), МГД-генераторы на ракетном топливе (МГДРТ). Основные уравнения
преобразования энергии и ограничения эффективности преобразования.
6.Электромагнитные преобразователи механической энергии в электрическую
Синхронные электрогенераторы в режиме ударного торможения. Высокоскоростные
снаряды в магнитных полях. Основные соотношения, ограничения и удельные
энергетические соотношения.
21
22
7.Мощные системы преобразователь - накопитель
МГД на ракетном топливе с индуктивным накопителем. Региональная электросеть со
сверхпроводящим индуктивным накопителем.
8.Обострители электрических импульсов (преобразователи мощности)
Принцип работы обострителей (э.д.с. индукции). Размыкатели различных типов и их
ограничения (на основе продуктов взрыва, высокомолекулярных продуктов абляции
диэлектриков, взрыва электропроводников и фольг, плазменноэрозионного эффекта,
явлений накопления заряда в твердых полупроводниках).
9. Электрохимический источник тока (аккумулятор)
Химические реакции при заряде и разряде. Предельные возможности при импульсном
съеме энергии.
10. Обобщенные энергетические характеристики импульсных генераторов
Предельные генерируемые мощности и энергии (электромощностные показатели).
Электрические характеристики (вольтамперные диаграммы). Массогабаритные показатели
(диаграммы Джоуль на грамм массы, Ватт на грамм).
ЛИТЕРАТУРА
1. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: ФМГИЗ, 1976. 521 с.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц И.М. Электродинамика сплошных сред. М.: ФМГИЗ, 1988. 426 с.
22
23
12. "Физико-химические процессы в газовой динамике"
К.ф.-м.н. В.В.Шумова
СОДЕРЖАНИЕ
I. Релаксационные процессы в газовой динамике (18 часов).
1. Понятие о релаксационной зоне ударной волны в реальном газе. Особенности
газодинамики релаксирующих газов с замедленным возбуждением внутренних степеней
свободы молекул. Иерархия характерных времен релаксационных процессов.
2. Поступательная релаксация. Газокинетическое уравнение Больцмана. Характерные
времена поступательной релаксации в однокомпонентной и двухкомпонентной системах
одноатомных газов. Немаксвелловские распределения. Эффекты, вызываемые
поступательной неравновесностью во фронте ударной волны.
3. Вращательная релаксация. Особенности и характерное время вращательной релаксации.
Классическая и полуклассические теории вращательной релаксации. Адиабатические и
неадиабатические вращательные уровни. Экспериментальные методы определения времен
вращательной релаксации.
4. Колебательная релаксация. Модель гармонического осциллятора. Формула ЛандауТеллера. Колебательная релаксация малой примеси двухатомного газа в среде инертного
газа. Распределение молекул по колебательным уровням при V-T-обмене. Колебательная
релаксация в однокомпонентной системе двухатомных молекул, моделируемых
гармоническими осцилляторами. V-V-обмен. Модель ангармонического осциллятора.
Распределение Тринора. Релаксация в однокомпонентной системе ангармонических
осцилляторов. Колебательная релаксация многоатомных молекул.
5. Химические реакции в релаксационной зоне ударных волн. Особенности
взаимодействия колебательной релаксации и диссоциации многоатомных молекул.
Статистическая теория мономолекулярного распада. Двухтемпературные модели
диссоциации. Лестничные модели. Диссоциация в условиях многомодовой колебательной
неравновесности. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расшияющихся потоках
высокоэнтальпийного диссоциированного газа.
6. Ионизационная зона сильных ударных волн в газах. Механизмы появления первичных
электронов: модель Ландау-Зинера, фотоионизация. Основные механизмы ионизации в
ударных волнах. Температура электронов и тяжелых частиц. Кинетика ступенчатой
ионизации. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расширяющихся потоках частично
ионизованного газа.
23
24
II. Перенос излучения в газах и формирование структуры сильных ударных волн
(14 часов).
1. Основные понятия. Спектральная интенсивность и плотность излучения. Длины пробега
излучения в среде. Механизмы испускания, поглощения и рассеяния света в газах.
Уравнение переноса излучения. Закон Кирхгофа. Излучение плоского слоя.
2. Движение вещества с учетом лучистого теплообмена. Диффузионное приближение.
Локальное равновесие излучения и приближение лучистой теплопроводности.
Росселандов пробег излучения. Взаимоотношение диффузионного приближения и
приближения лучистой теплопроводности. Потери энергии нагретого вещества на
излучение.
3. Уравнения газодинамики
с учетом энергии давления излучения и лучистого
теплообмена. Формулировка задачи о структуре фронта сильной ударной волны.
Опережающее излучение и температура прогревания.
4. Ударная волна докритической амплитуды. Ближняя и дальняя прекурсорные зоны.
Ближняя прекурсорная зона в атомарных газах. Диффузия резонансного излучения в
дальней прекурсорной зоне. Ударная волна сверхкритической амплитуды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гоpдиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические пpоцессы в газах и
молекуляpные лазеpы. М.: Hаука, 1980.
2. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений. - 2-е изд., доп. -- М: Наука, 1966.
3. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов
низкотемпературной плазмы. М: Hаука, 1982.
И.Т.
Кинетика
неравновесной
24