Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках проекта осуществлено объединение усилий коллектива экспериментаторов из Новосибирска и коллектива теоретиков и вычислителей из Санкт-Петербурга, давно и плодотворно работающих в области динамики разреженных газов, для решения ряда задач, обусловленных газовой динамикой кластеров. Первый год экспериментальных работ по проекту посвящен взаимному анализу предварительных результатов, корректировке начальных и граничных условий исследований, углубленному экспериментальному и расчетному моделированию процессов, в которых у коллективов имеются первичные заделы. В области эксперимента - обоснованию и адаптации имеющихся методов и средств диагностики для проведения измерений в условиях конденсации, модернизации экспериментального стенда, а также проведению экспериментов по выявлению условий формирования нового газодинамического процесса – структуры большего диаметра и протяженности, названного авторами «следом». В области моделирования истечения газа в затопленное пространство - постановке задачи, отладке работы программного обеспечения и проведению серии расчетов течения без учета процессов конденсации, а также доработке модели конденсации инертного газа для случая плотных гидродинамических режимов течения. В рамках поставленных целей в отчетном периоде: - Проведена серия онлайн-семинаров для уточнения важнейших параметров постановки экспериментальных работ и численного моделирования. Осуществлен выбор оптимального набора исследуемых газов, определены газодинамические параметры истечения сверхзвуковых недорасширенных струй низкой плотности (геометрия сопел, диапазоны давления и температуры торможения, давления остаточного фонового газа) с целью получения данных как в отсутствие конденсации в потоке, так и в условиях образования кластеров разного размера. - Произведена отладка аппаратуры для фото- и видеорегистрации газовых потоков, позволяющей определять излучение более низкой интенсивности и в более широком амплитудном диапазоне, а также фиксировать online быстропротекающие процессы. Наибольший интерес для измерений в холодных потоках диоксида углерода представляет использование регистрирующего прибора pco.panda 4.2 bi UV, спектральный диапазон которого распространяется в том числе на ближнюю УФ часть спектра. Полученные с его помощью фотографии сверхзвуковых струй диоксида углерода с кластерным следом подтвердили выводы, сделанные ранее для кластированных потоков аргона, о формировании при определенных условиях в сверхзвуковых струях спутного потока, обусловленного кластерами. - Осуществлена закупка комплектующих узлов молекулярно-пучковой системы, а также текущего запаса рабочих газов для проведения исследований. - В рамках предложенного авторами метода решения уравнения Больцмана получены уравнения газодинамики, описывающие двухскоростное и двухтемпературное течение смеси двухкомпонентного газа, состоящего из тяжелых и легких частиц. Результаты доложены на RGD32 (тезисы опубликованы) http://www.rgd32.org/program.asp, статья будет опубликована в трудах конференции в 2023 г. - Для исследования процесса кластерообразования в переходном и околоконтинуальном режимах течения (Kn > 0.0001) на базе разработанного ранее пакета программ на основе метода прямого статистического моделирования (ПСМ) (исходный код СПбПУ Петра Великого, автор Быков Н.Ю.) создана расчетная модель течения в сопле, в которую заложены параметры сопел, используемые в экспериментах, проводимых в рамках проекта. В результате тестовых расчетов подобраны параметры сеток и другие расчетные параметры, обеспечивающие оптимальные результаты по параметру точность/время расчета. Процесс кластеризации описывается через присоединение/отделение мономера от кластера. Образование димеров описывается через трехчастичные столкновения. Выполненные расчеты воспроизводят известные газодинамические структуры, характерные для течения разреженного газа в области параметров, достижимых для выполнения расчетов на имеющихся вычислительных мощностях. - Для исследования процессов кластерообразования в более плотных средах (Kn < 0.001) используется комплекс программ, описывающих континуальные течения на базе уравнения Навье-Стокса с химическими реакциями, с использованием OpenFoam открытого доступа. При этом на основе сверхзвукового солвера rhoCentralFoam и солвера reactingFoam написан новый гибридный солвер rhoCentralReactingFoam, включающий возможность моделирования химических реакций. Для согласования выражений, используемых для расчета коэффициентов переноса, с моделями столкновений, использованными в рамках ПСМ, дописаны блоки расчета этих коэффициентов. Расчеты в режимах без конденсации показали воспроизводимость газодинамических структур, наблюдаемых в экспериментах. - Для моделирования процесса слабого кластерообразования разработана и внедрена в расчетный код модель образования кластеров на основе квазихимической модели нуклеации. Для этого дописаны блоки расчета констант образования и распада кластеров и расчета различных термодинамических параметров. Для описания развитой конденсации построена модель на основе моментного подхода. - Расчеты течения при Kn ~ 0.001 показали очень хорошее согласование результатов расчетов методами ПСМ и базирующегося на уравнении Навье-Стокса. Таким образом, создан инструментарий, необходимый для полномасштабного исследования процесса кластерообразования во взаимодействии с экспериментальной группой, работающей в рамках проекта. - Оценены дифференциальные сечения рассеяния малых кластеров на мономерном фоне, которые будут далее использованы в расчетах. Установлены особенности, обусловленные условиями формирования кластированных молекулярных пучков, а также инвазивным характером масс-спектрометрии таких пучков при электронной ионизации в детекторе. Изучены некоторые закономерности в измерениях. - Сопоставлены условия и параметры формирования потоков кластеров аргона, азота и диоксида углерода, установлены отличительные черты высвечивания новой структуры («кластерного следа»), особенности и различия в процессах формирования кластерных структур в газах с различными показателями адиабаты и скоростями кластерообразования. - Использование спектральной аппаратуры, обеспечившей регистрацию сверхзвуковых струй в широком диапазоне длин волн, позволило установить зависимость геометрии струй от наличия в них кластерной компоненты. Результаты измерения поперечных размеров «традиционной» струи были сопоставлены с моделями, описывающими эти размеры, полученными при исследовании мономерных потоков, не содержащих кластерной компоненты. Установлено, что коэффициент, входящий в эти модели, можно считать постоянным до тех пор, пока в потоке нет конденсированной фазы. В свою очередь, если в струе начинают зарождаться кластеры, поток будет расширяться. Представлены результаты обобщения всех данных в виде зависимости, которую авторы проекта предлагают в качестве поправки на процесс конденсации к известным моделям. - Полученные результаты позволили уточнить план дальнейших работ по программе проекта. - К работам по проекту привлечены молодые исполнители, в том числе студенты и аспиранты, с целью подготовки квалифицированных специалистов, а также кадров высшей квалификации. - По материалам и результатам работ по проекту опубликованы 2 статьи в российских и одна – в зарубежном журнале 1-го квартиля, подготовлены и отправлены для публикации три рукописи в зарубежные журналы, индексируемые в Scopus, доложены 8 докладов на всероссийских и международных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Экспериментальная и теоретическая базы, подготовленные на первом этапе, во втором году реализации проекта позволили объединить усилия для решения поставленных в проекте задач. В экспериментальной части работы были направлены на развитие и верификацию адапатированных методик измерения, исследование спектральных процессов излучения и механизмов передачи энергии в кластированных потоках, изучение особенностей регистрации Ван-дер-Ваальсовых кластеров известными диагностическими средствами. Одновременно теоретической группой были решены задачи создания и дальнейшего совершенствования используемых моделей, позволяющих компьютерными методами достоверно анализировать и исследовать протекающие в экспериментальных исследованиях процессы. В частности было достигнуто: • Методами молекулярно-пучковой масс-спектрометрии была изучена возможность проведения измерений с использованием ионизационных датчиков в кластированных потоках. Зарегистрированы продольные профили распределения частиц в потоке. Показана необходимость измерения скоростного отношения частиц на входе в молекулярно-пучковую систему для регистрации абсолютных значений плотности данной методикой. На основании полученных масс-спектров и оценок среднего размера формируемых в потоке кластеров продемонстрирован эффект деструкции Ван-дер-Ваальсовых кластеров при взаимодействии с электронами энергией 70 eV. • В молекулярном пучке исследован процесс рассеяния частиц свободномолекулярного кластированного газового потока на частицах фонового окружения. Проведена верификация использованной методики в неконденсирующихся потоках путём сопоставления полученных результатов измерения с известными литературными данными. Исследован процесс рассеяния атомов и малых кластеров аргона на фоновом газе при различной степени кластеризации частиц в потоке. Установлено, что с ростом среднего размера кластеров эффективное сечение рассеяния мономеров аргона уменьшается. Проанализированы причины возникновения обнаруженного эффекта, а также особенности использования молекулярно-пучковой масс-спектрометрии для исследования сверхзвуковых кластированных потоков. • По распределению численной плотности в условиях истечения неконденсирующегося потока аргона из звукового сопла произведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Результаты моделирования методом ПСМ, экспериментальные данные и известная из литературы эмпирическая зависимость сравнены в диапазоне параметров, соответствующего малым давлениям торможения в камере, т.е. в условиях отсутствия или наличия начальной, несущественной стадии конденсации. Показано хорошее совпадение результатов во всем рассмотренном диапазоне параметра ReL, характеризующего режим взаимодействия истекающей струи с газом окружающего пространства. Продемонстрировано формирование разреженной ударно-волновой структуры. • В результате адаптации и апробирования метода измерения поперечного скоростного отношения в молекулярном пучке были получены и проанализированы зарегистрированные поперечные профили интенсивности, позволившие вычислять значения перпендикулярного скоростного отношения. Проанализирована возможность использования адаптированного метода измерения скоростного отношения для кластированных потоков на основе обсужденных допущений и приближений. Получены и проанализированы зависимости скоростного отношения от параметров торможения давления и, соответственно, размера кластеров. Установлено изменение скоростного отношения в направлении поперек оси потока, связанное с наличием и воздействием на результаты кластеров. При наименьшем влиянии кластеров измеренное значение скоростного отношения оказалось удовлетворительно совпадающим с изэнтропическим расчетом. Обоснована возможность использования экспериментальных значений скоростного отношения при компьютерном моделировании. • При изучении спектрального состава аномального излучения кластированного потока, активированного электронным пучком, были получены поперечные профили нормированной интенсивности излучения «кластерного следа». Установлено, что излучение детектируется при смещении области измерений вниз по потоку. Предположительно излучение в области «кластерного следа» происходит с задержкой по времени. Установлено, что излучение в «кластерном следе» наблюдается лишь на отдельных линиях аргона. Проведены измерения среднего времени жизни частиц потока в возбужденном состоянии. Эти данные планируется использовать в теоретических и численных моделях. • Впервые представлена модель, описывающая влияние электронного возбуждения мономеров на процесс конденсации. Показано, что такое возбуждение должно приводить к стимуляции конденсации, то есть к более раннему ее наступлению при истечении струй в область пониженного давления. Обсуждены возможности проведения экспериментов в условиях, необходимых для апробирования модели • В рамках модели сплошной среды проведены расчеты образования кластеров малых размеров с использованием квазихимической модели конденсации. Результаты хорошо согласуются с расчетами методом ПСМ. К сожалению, деструкция кластеров при масс-спектрометрии не позволяет провести прямые сравнения с экспериментальными данными без учета процесса деструкции. Однако моделирование процесса деструкции кластеров при электронной ионизации является отдельной и очень сложной теоретической задачей, решение которой вкупе с экспериментальной верификацией модели возможно в новом проекте. • В рамках проекта разработана модификация модели формирования субнаноразмерных кластеров аргона для метода прямого статистического моделирования. Впервые в рамках модели учтено фазовое состояние кластера и зависимость температуры плавления кластера от температуры. Учет наличия разных фаз приводит к разным скоростям процессов кластеризации жидких и твердых кластеров аргона субнаноразмерного диапазона. В новой модели корректно учитывается зависимость энергии связи мономера в малом кластере от его размера. • Методом ПСМ проведены расчеты для решения задачи об истечении аргона в затопленное пространство при малых давлениях торможения в камере расширения c учетом процесса конденсации. Показано, что для рассмотренного диапазона параметров мольная доля кластеров в области расширения струи менее/около 1%. В рассматриваемом диапазоне влияние процесса кластерообразования на газодинамические параметры течения несущественно. Дополнительно проведено сравнение с результатами численного исследования на базе Навье-Стокса. Для разреженных режимов взаимодействия струи и окружающего газа продемонстрировано отличие результатов кинетического (ПСМ) и гидродинамического (на базе Навье-Стокса) подходов в приосевой области сжатого ударного слоя. Результаты численного моделирования будут сопоставлены с экспериментальными данными на следующем этапе выполнения проекта. Полученные результаты позволили уточнить план дальнейших работ по программе проекта. По материалам и результатам работ по проекту опубликовано 3 статьи в ведущих российских и зарубежных журналах (1 - в Q1, 1 - в Q2, 1 – в РИНЦ) и 7 статей в других изданиях, индексируемых в база данных Scopus и Web of Science, а также в РИНЦ. Подготовлены и отправлены для публикации две рукописи в российские и зарубежные журналы, индексируемые в Scopus и Web of Science, доложены 8 докладов на всероссийских и международных конференциях.