Вестник Пермского университета. Физика

Испарение жидких компонентов связующего композиционных материалов космического назначения в вакуум

Виктор Терпугов — 2024-04-12

В настоящее время разрабатываются технологии получения больших космических конструкций методом отверждения препрега композиционного материала с жидким связующим непосредственно в открытом космосе. При этом возникает проблема испарения активных компонентов связующих в вакуум открытого космоса. В данной работе исследовано испарение индивидуальных жидких компонентов связующих композиционных материалов, предполагаемых к использованию или уже испытанных в космических конструкциях на орбите. Определены скорости испарения в вакуум в рабочем интервале температур. Показано, что сертификационный тест космических агентств на дегазацию материалов не может быть использован для оценки возможности применения данных компонентов в вакууме космоса.

Релаксация ионного пограничного слоя в задаче протонного обмена

Максим Петухов — 2024-04-12

Статья посвящена исследованию поведения продуктов реакции протонного обмена в расплаве бензойной кислоты при ее взаимодействии с кристаллом ниобата лития. В ходе протонирования в кислоту попадают положительно заряженные ионы лития и отрицательно заряженные бензоат-ионы, которые после рекомбинации образуют молекулы бензоата лития. Описание процессов диффузии и рекомбинации было осуществлено при помощи уравнений механики сплошных сред: уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, уравнений электростатики и уравнений переноса. В результате численного решения данной системы уравнений было показано, что вблизи межфазной поверхности бензоат-ионы формируют стационарный пограничный слой, поддерживаемый потоком ионов со стороны кристалла. Ионы лития в силу большей подвижности заполняют всю расчетную область. Из-за различий в распределениях концентрации ионов в пределах пограничного слоя возникает электрическое поле. Тем не менее, возникающих неоднородностей недостаточно для возникновения крупномасштабного конвективного переноса, поэтому все поля являются однородными вдоль межфазной поверхности. В работе проводится моделирование ситуации, в которой в определенный момент времени перестают выполняться условия, способствующие протонному обмену, и указанный поток ионов со стороны кристалла прекращается, в результате чего наблюдается постепенное исчезновение пограничного слоя. Приводятся временны̀е эволюции профилей концентрации ионов, молекул бензоата лития и электрического потенциала в ходе данной релаксации. Ионы, как и электрическое поле, с течением времени исчезают, в то время как молекулы бензоата лития стремятся равномерно заполнить все пространство. Показано влияние интенсивности начального потока ионов на релаксационные процессы.

Математическое моделирование температурных полей при пробое оптического волокна

Виктория Старикова — 2024-04-12

Рассматривается математическая модель оптического пробоя сердцевины оптического волокна, основанная на уравнении теплопроводности. В результате пробоя образуется плазменная искра, которая впоследствии движется вдоль волокна. Задача решается в осесимметричной постановке. Расчетная область состоит из четырех элементов с различными теплофизическими свойствами, на границах которых выполняются условия сопряжения. Слагаемое, описывающее источник тепла в модели, определяется длиной волны излучения и показателями преломления сердцевины и оболочки, а также включает в себя поглощение излучения на высвободившихся электронах при термической ионизации кварцевого стекла. Получены распределения температурных полей в оптическом волокне. Выполнена оценка скорости распространения поля температуры. На основании расчетов можно оценить время возникновения оптического пробоя и минимальную мощность при различных длинах волн вводимого в волокно излучения.

Оптимизация базовой конструкции струйного насоса для добычи геотермальных вод

Сергей Пещеренко — 2024-04-12

Высокая температура и глубина залегания геотермальных вод ограничивают использование погружных электронасосов при их добыче. Альтернативным способом может стать применение базовой конструкции водяных струйных насосов, проточные каналы которой имеют конические либо цилиндрические поверхности, что позволяет осуществлять их массовое изготовление на машиностроительных предприятиях без привлечения дорогостоящего оборудования. До сих пор зависимость КПД таких насосов от конструкции изучалась путем поочерёдного варьирования геометрических размеров, т.е. без учета их взаимного влияния. Было предложено множество взаимно не согласованных оптимальных конструкций. Нами задача оптимизации решалась методом вычислительной гидродинамики. При варьировании геометрических размеров насоса применялся план полного факторного эксперимента. Показано, что все возможные водяные струйные насосы геометрически подобны. В качестве естественного масштаба предложено использовать диаметр сопла. Получены выражения основных геометрических размеров насосов через диаметр сопла. Показано, что максимальный КПД насосов – около 40%, а скорость жидкости на выходе из сопла практически не меняется при масштабировании насосов и фиксированных граничных условиях (давлениях). Вязкие потери растут обратно пропорционально диаметру сопла.

Гипертермический эффект в магнитных наночастицах при слабых ориентационных флуктуациях

Виктор Степанов — 2024-04-12

Решена задача об установившемся движении магнито-жесткой частицы в переменном поле произвольной амплитуды и частоты в пределе слабых ориентационных флуктуаций (нулевой температуры или большого объема частицы). Из условия разрешимости уравнения Фоккера–Планка в пределе низких температур получено корректное решение для намагниченности частицы. Показано, что поглощение энергии за период поля (площадь петли динамического гистерезиса намагниченности) в этом случае всегда выше, чем для петли с конечной температурой. Иными словами, для магнитожестких частиц тепловые флуктуации всегда снижают их тепловыделение. Данный вывод является важным для метода магнитной гипертермии.

Определение параметров МГД-канала для повышения однородности растекания тока

Геннадий Лосев — 2024-04-12

Для оценки условий получения однородного электрического поля численно решена задача растекания электрического тока в проводнике, заключенном в канал произвольной проводимости. В качестве числового критерия однородности растекания выбрана длина участка, на котором величина радиальной компоненты плотности электрического тока не превышает 1% максимума вдоль оси канала. Установлен нелинейный характер зависимости длины участка однородного растекания тока от аспектного отношения канала и толщины стенок. Увеличение длины канала при фиксированном диаметре позволяет достигнуть однородного растекания тока на более чем 80% длины канала при аспектном отношении более 10. Зависимости длины участка однородного растекания от толщины стенок имеет локальный экстремум при толщине стенки менее 0.4 радиуса трубы. В зависимости от отношения проводимостей стенки и среды экстремальная точка может быть как локальным минимумом (хорошо проводящая стенка), так и локальным максимумом (плохо проводящая стенка). Зависимость длины участка однородного растекания тока от протяженности токоподводов линейна, однако наклон графика определяется отношением проводимостей среды и стенки.

Исследование кинетики реактивного ионного травления тонкопленочного ниобата лития во фторсодержащей плазме

Андрей Козлов — 2024-04-12

Проведено исследование кинетических закономерностей реактивного ионного травления (РИТ) тонкопленочного ниобата лития (НЛ) X-среза в комбинированной плазме ICP/CCP разрядов в газовой смеси SF₆ / Ar без учета реальной структуры кристалла НЛ. В работе приведено описание механизма РИТ, в том числе на основании представлений о травлении НЛ с образованием нелетучих продуктов реакции (LiF) как топохимической реакции (ТХР). В ходе исследования кинетических закономерностей РИТ строились серии кривых, отражающих зависимости скорости РИТ от параметров процесса. Использовались методы оптической спектральной рефлектометрии, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (EDS), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Показано, что скорость РИТ обратно пропорциональна давлению в ходе процесса и падает на порядок при увеличении давления с 0.005 мбар до 0.1 мбар. Впервые выявлена закономерность, показывающая, что при давлениях ниже 0.08 мбар скорость РИТ достигает максимума при процентных содержаниях SF₆≈ 5%. Предложено объяснение наличия экстремума при данных процентных содержаниях SF₆на основе теории кинетики адсорбции Ленгмюра. Также были показаны линейные зависимости скорости РИТ тонкопленочного НЛ от мощностей на источниках ICP и CCP. Впервые были продемонстрированы временные зависимости РИТ на разных стадиях ТХР. Методом XPS было показано, что при РИТ на стадии индукционного периода ТХР происходит «скрытое» протекание реакции, вероятно, только в пределах разрушенного ионной бомбардировкой приповерхностного слоя кристаллической решетки НЛ. В то время как на стадии роста скорости ТХР наблюдается «объемный» рост LiF на поверхности НЛ, детектируемый при помощи СЭМ и EDS. Впервые было показано влияние нагрева НЛ плазмой на переход между индукционным периодом и стадией роста скорости ТХР.