СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ ВЕЩЕСТВА Российский патент 1998 года по МПК G09B23/12 

Изобретение относится к научным моделям в технической физике, а именно к способам моделирования нестационарных течений вещества, может найти применение для исследований в области инерционного термоядерного синтеза (ИТС), для решения прикладных задач, связанных с необходимостью исследования непрозрачных сред, например в технических энергоемких устройствах в процессах, происходящих при их эксплуатации (перемешивание продуктов горения и различных присадок в двигателях внутреннего сгорания, аналогичные процессы в реакторной и ракетной технике и т.п.), или в изучении экологически опасных аварийных ситуаций (взрыв нефтехранилищ, складов боеприпасов т.п.), а также может найти применений в решении проблемы прогнозирования климатических явлений или последствий различных экстремальных природных явлений (извержение вулканов, процессы на Солнце, на других космических объектах и т.п.).

Известные в настоящее время способы моделирования нестационарного течения веществ включают, в основном, следующие действия: выбор модели среды, механическое нагружение модели, регистрацию течения. Примеры способов моделирования течения веществ довольно разнообразны и широко представлены в обзоре [1] , многие из них защищены авторскими свидетельствами, например, в [2] . Модели среды, в зависимости от поставленной задачи, выполняют из веществ в одном или разных агрегативных состояниях. Контактной границей между исследуемыми веществами служат либо сами вещества, либо тонкая пленка, пластина и т. п. [1, 3]. Механическое нагружение осуществляют давлением, получаемым любым из известных способов: разгона исследуемых веществ в ударных трубах, посредством электрического взрыва проводника, взрыва газовых смесей и т.п. [1, 4]. Регистрацию течения и процессов, сопровождающих нестационарное течение веществ (Релей-Тейлоровскую неустойчивость, неустойчивость, индуцированную ударной волной и т.п.), осуществляют при помощи фотографии, киносъемки, рентгеновского или лазерного излучения и т.д. [1, 3].

В основном все способы моделирования направлены на увеличение точности моделирования, заключающееся в приближении моделируемого процесса к естественному, а также на расширение диапазона исследуемых веществ. Так, например, при помощи изготовления модели конденсированной среды из студня, приводимой в движение давлением сжатого газа - продуктами взрыва газовой взрывчатой смеси, моделируется нестационарное течение несжимаемой жидкости (Авт. св. N 1026154, опубл. 30.06.83, БИ N 24, 1983) [2]. При помощи этого способа можно исследовать развитие неустойчивостей Релея-Тейлора и турбулентного перемешивания на неустойчивой границе газ - жидкости. Вместе с тем возможности этого способа ограничены этим случаем. В то же время для практических применений представляет интерес случай моделирования неустойчивостей на границе веществ разной плотности в сложной геометрии, при высоких температурах, например при обжатии термоядерных мишеней, когда развиваются столь высокие температуры, что материалы слоев мишеней испаряются, перемешиваются и остаются недоступными для наблюдения известными физическими методами [1, 6].

Известен способ моделирования нестационарного течения непрозрачных веществ разной плотности, выбранной как наиболее близкой по технической сущности, в котором развитие неустойчивостей на внутренней границе непрозрачного вещества большей плотности, схлопывающейся под действием взрыва цилиндрического заряда взрывчатого вещества, инициируемого по наружной поверхности, осуществляют рентгеновским методом. При этом излучение направляют на сосуд с исследуемыми веществами со стороны, на которой отсутствует стенка (наличие стенки привело бы к невозможности идентификации внутренней границы или ее сильному размытию) [5].

Недостатком этого способа является невозможность исследования систем, имеющих низкий градиент оптической плотности во всех направлениях, например случай замкнутых сосудов, в которых размещены исследуемые вещества. Из-за этого сужается область выбора веществ и физических условий для моделирования процессов, происходящих при высоких температурах, давлениях, плотностях, а также в сложной геометрии.

Задачей изобретения является создание способа моделирования нестационарного течения вещества в экстремальных условиях, при которых излучаются физические процессы, возникающие в непрозрачных веществах при высоких температуре, давлении, плотности, в различной геометрии, например при решении задач, связанных с ИТС, и т.д. и т.п. Технический результат, достигаемый в результате решения задачи, заключается в следующем: 1) изучаются физические процессы, возникающие в непрозрачных средах различной плотности под воздействием высоких температур, давлений (в "экстремальных" условиях); 2) исследуются процессы перемешивания в устройствах с произвольной геометрией; 3) производится количественная калибровка сложных двух- и трехмерных расчетов динамики нестационарного течения вещества путем вариации физических параметров веществ, давления на фронте ударной волны, интенсивности нейтронного излучения, геометрии; 4) регулируются параметры гамма-импульса, получаемого при перемешивании исследуемых веществ, и можно использовать полученный гамма-импульс до дополнительных исследований, например, как в [8]; 5) увеличивается выбор веществ, доступных для перечисленных выше видов исследований.

Предлагаемый способ моделирования нестационарного течения вещества реализуется следующим образом. Сосуд заполняют исследуемыми веществами разной плотности. "Низкоплотное" вещество выбирают по способности замедлять нейтроны. "Высокоплотное" вещество выбирают по способности поглощать нейтроны в реакции радиационного захвата. Относительное расположение низкоплотного и высокоплотного веществ в сосуде выбирают оптимальным для исследования. Осуществляют нагружение веществ ударной волной, формируемой в них с помощью химического взрывчатого вещества, инициируемого, например, по наружной поверхности. Регистрацию развития неустойчивости на внутренней границе непрозрачного вещества большей плотности, схлопывающейся под действием импульса давления, осуществляют по реакции радиационного захвата нейтронов путем регистрации гамма-импульса, генерируемого в веществах от импульсного источника нейтронов, расположенного, например, перпендикулярно источнику ударной волны. Импульсный источник нейтронов выбирают с выходом нейтронов N за импульс, равным 10⁶≤N≤10¹⁷, при полуширине импульса (длительность на полувысоте) τ_1/2≤ 1μs и располагают перпендикулярно источнику ударной волны.

Исследование различных стадий течения вещества в предлагаемом способе возможно и реализуется путем регулировки синхронности задействования ударной волны и импульсного источника. Знание процессов, происходящих на различных стадиях, позволяет выбрать оптимальный набор экспериментов с различной синхронизацией задействования ударного нагружения или любого этапа нестационарного течения вещества с задействованием импульсного источника нейронов, с тем чтобы провести более детальное и комплексное исследование.

В предлагаемом способе моделирования нестационарного течения вещества граница соприкосновения может быть выполнена как без возмущения, так и с любыми необходимыми для исследования физического процесса заданными возмущениями.

Предлагаемый способ заполнения сосуда дополнительным высокоплотным веществом внутри низкоплотного позволяет изучать не только стадию сжатия вещества, но и стадию разлета.

Диапазон параметров нейтронного импульса, пригодного для зондирования вещества в процессе нестационарного течения, определяется, с одной стороны, требованием надежной регистрации амплитудно-временных параметров гамма-импульса, генерируемого веществом в результате взаимодействия его ядер с нейтронами, с другой сам нейтронный поток не должен приводить к изменению течения вещества по сравнению с тем, которое реализуется при его отсутствии, если мы не хотим специально исследовать влияние нейтронов на течение вещества, например, в процессе ИТС.

Длительность (например, полуширина) нейтронного импульса должна быть не менее чем в десять раз меньше интервала времени, в котором исследуется нестационарное течение вещества. Характерный масштаб газодинамических процессов для моделей с характерными размерами 1 ст≤l≤100ст находится в пределах 10^-7s≤ Δτ≤10^-4s . Следовательно, зондирующий нейтронный импульс должен иметь полуширину Δτ < 1μs , оптимальный рабочий диапазон для исследования большинства газодинамических процессов находится в пределах 10^-8s≤ Δτ_n≤10^-6s . Количество нейтронов в импульсе, которое должно попасть в вещество модели, выбранных характеристик размеров находится в пределах 10⁶≤N≤10¹⁷. Первое число соответствует минимальному размеру модели и возможности надежной регистрации (например, сцинтилляторами [10]) "вторичного "гамма-импульса", генерируемого моделью. Второе исключает негативное дополнительное влияние нейтронов на течение вещества модели с характерным размером 100 см.

Существует большое разнообразие импульсных нейтронных источников [7, 9, 14] с амплитудно-временными характеристиками, удовлетворяющими вышеизложенным требованиям. Из опубликованных данных рекордные нейтронные импульсы получены магнитным обжатием мишеней на установке МАГО [9] N_n≈2•10¹³ при полуширине 1μs и на мощных ускорителях электронов типа Гермес-3 [14] n_n≈10¹⁴ при полуширине 15 ns.

Таким образом, из самых общих соображений, а также из фактических данных о состоянии импульсной техники и возможностей известных методов, например регистрацией излучения сцинтилляторами [10], видно, что предлагаемый способ можно реализовать на практике и решить с его применением ряд важных научно-технических проблем.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предложенного способа, когда внутренний объем сосуда заполнен веществом 1 малой плотности, пространство между несущей стенкой цилиндрического корпуса 3 и веществом 1 малой плотности заполнено веществом 2, содержащим сильный поглотитель нейтронов по реакции радиационного захвата (поглотитель может входить непосредственно в состав силовой оболочки, например в виде сплава). Вещество 2 может вводиться в виде слоя любой конфигурации, например в виде чередующихся с заданными периодами и амплитудой выточками. На внешней поверхности силовой оболочки размещается химическое взрывчатое вещество 4. С торцовых сторон цилиндрического сосуда размещены импульсный источник 5 нейтронов и система 7, 8, 9 регистрации гамма-излучения, генерируемого в модели в процессе нестационарного течения вещества.

На фиг. 2 представлены результаты численных расчетов временной зависимости потока "вторичного" гамма-излучения, выходящего из модели в процессе нестационарного течения вещества, полученные в нижеизложенной постановке.

Продемонстрируем возможную практическую реализацию предлагаемого способа моделирования нестационарного течения вещества (фиг. 1).

1. Выберем в качестве веществ, пригодных для исследований предлагаемым способом, газообразный водород 1 (вещество малой плотности) и любой металл 2, являющийся поглотителем нейтронов по ядерной реакции радиационного захвата, или металлический сплав, содержащий сильный поглотитель нейтронов, например гадолиний, который может вводиться в конструкцию, например, в виде тонкого слоя на внутренней поверхности силового корпуса.

2. Геометрию моделируемого устройства выберем цилиндрическую, а конструкцию - в виде герметичного металлического сосуда 3 высокого давления, например, выдерживающего избыточное давление ΔP = 10 MПа ; на внутренней поверхности цилиндрической оболочки размещаем слой поглотителя 2 с заданными "возмущениями", например, в виде синусовидных выточек с периодом λ и амплитудой α .

3. В качестве средства нагружения выберем химическое взрывчатое вещество (ВВ), например тринитротолуол (ТНТ), в виде цилиндрической оболочки 4 непосредственно над металлической оболочкой сосуда высокого давления.

4. В качестве зондирующего средства выберем мощный импульсный источник нейтронов - систему МАГО [9], имеющий выход нейтронов за импульс
N≥10¹³
при полуширине
τ_1/2≈ 1μs
и расположим его с одной из торцовых частей цилиндра 5
5. Результатом зондирования процесса нестандартного течения исследуемых веществ будет являться "вторичный" γ -импульс, генерируемый веществом в реакциях радиационного захвата нейтронов от импульсного источника 5.

6. Для регистрации "вторичного" γ импульса выберем методику, в которой применяются сцинтилляционные детекторы 7 (например, пластиковые фосфоры [10] в сочетании с ФЭУ 8 и быстродействующей регистрирующей аппаратурой 9 достаточно временного разрешения (например, осциллографы типа С9-27 или С9-4А). Детекторы размещаются с торцевой части цилиндра, противоположной от расположения импульсного источника нейтронов МАГО за защитным экраном 6.

Для обоснования работоспособности данного моделирующего устройства были проведены расчеты переноса нейтронов и генерирования "вторичного γ импульса исследуемым веществом, сжатым энергией ВВ, для двух предельных случаев: 1) при отсутствии какого-либо перемешивания "тяжелого" и "легкого" веществ на момент максимального сжатия газообразного водорода; 2) при полном и гомогенном перемешивании "легкого" вещества на момент максимального сжатия с той долей "тяжелого" вещества, с которой оно может перемещаться по известному феноменологическому методу расчета турбулентности [11]. Средние плотности слоев устройства в момент "включения" импульсного источника нейтронов брались близкими к максимальному сжатию энергией взрывного вещества и определялись при помощи стандартных расчетных газодинамических программ, способом, аналогичным изложенному в работе [12].

Временные зависимости для формы гамма-импульса, генерируемого исследуемым веществом модели, представленной на фиг. 1, а рассмотренных случаях представлены на фиг. 2. Видно огромное, в несколько порядков, различие в величине потока энергии квантов, а следовательно, и в регистрируемой "местной" мощности гамма-дозы в различных временных диапазонах при отсутствии (кривая 1) или при полном (кривая 2) перемешивании исследуемых веществ.

Учитывая, что погрешность выбранной выше методики регистрации "вторичного" γ импульса во всем временном диапазоне регистрации не превышает 30% 2σ , можно сделать вывод, что выбранное устройство позволит надежно фиксировать различную степень перемешивания "тяжелого" и "легкого" вещества при нестационарном течении, вызываемом ударным действием энергии ВВ.

Практическое применение данного устройства позволит провести количественную калибровку сложных двумерных расчетных программ, используемых для счета динамики нестационарного течения вещества в ряде прикладных задач, а также, видимо, позволит провести экспериментальное определение ряда физических параметров путем вариации параметров устройства (количеством ВВ, давлением (массой) водорода, материалом "тяжелого" вещества в силовой оболочке устройства, составом "легкого" вещества, например добавками тяжелых газов в водород можно варьировать вязкость газа и т.д. и т.п.

Для более наглядного пояснения сущности предлагаемого способа, позволяющего "увидеть" при помощи гамма-излучения различные в характере перемешивания веществ, воспользуемся известными соотношениями для утечки и поглощения нейтронов в системе, полученными в диффузионно-возвратном приближении [13] . В предельных случаях убыль нейтронов в системе обусловлена или только утечкой, или только поглощением. Интенсивность утечки при отсутствии поглощения в объеме, заполненном замедлителем, определяется геометрией, размерами и сечениями рассеяния нейтронов веществом системы.

где
- кинетический коэффициент диффузии нейтронов, Δ - характерный размер системы, V_n - средняя скорость нейтронов, Σ_tr - транспортное сечение рассеяния нейтронов, Все параметры могут зависеть от времени t.

Интенсивность поглощений в "бесконечной" среде определяется величиной сечения поглощения Σ_a и скорость нейтронов.

где
τ_a= 1/(Σ_aV_n) - время жизни нейтронов в системе до поглощения.

Исходя из вышеизложенного понятно, что при отсутствии перемешивания "легкого" водородного слоя с "тяжелым" нейтронопоглощающим слоем временная зависимость для интенсивности "вторичного" гамма-потока будет пропорциональна выражению (1) (предполагается, что время жизни нейтронов непосредственно в поглощающем веществе, окружающем водородный слой, много меньше характерного времени утечки из водородосодержащего слоя), а при полном перемешивании-выражению (2).

Рассмотренный выше пример технической реализации данного способа является частным случаем, позволяющим исследовать нестационарное течение веществ в цилиндрической геометрии при заданном относительном расположении "тяжелого" и "легкого" веществ. Однако данный способ можно применить для любой геометрии и относительного расположения исследуемых веществ, т.к. к нейтронам (зондирующее вещество) и к гамма-излучению (результат зондирования) практически все вещества "прозрачны".

В действительности, перенос нейтронов и сопровождающая его генерация "вторичного" гамма-импульса на фоне нестационарного движения вещества - весьма сложный для расчетного описания физический процесс, особенно в случаях, когда газодинамические скорости и температура сравнимы по своей величине со скоростями и "температурами" термализованных в системе нейтронов. Однако, с другой стороны, именно это обстоятельство открывает широкие возможности для экспериментального исследования физических процессов на "стыке" нейтронов" и "газодинамической" физики, а также для отработки и калибровки сложных расчетных методик.

Источники использования
1. V.A. Andronov, I.G. Zhidov, E.E.Meshkov, N.V.Nevmerzhitskii, V.V.Nikiforov, A.N.Razin, V.G.Rogatchev, A.I.Tolshmyekov, Yu.V. Yanilkin. "Computation and Experimental Studies of Hydrodynamic Instadilities and Turbulent Mixing". (Review of VNIIEF Efforts). LA-12896 UC-700 Issued: February, 1995, Los Alamos New Mexico 87545.

2. О.Волчек, И.Жидков, Б.Клопов, Е.Мешков, В.Попов, В.Рогачев, И.Толшмяков. "Способ моделирования нестационарных течений несжимаемой жидкости". Авт. св. N 1026154, опубл. 30.06.83. БИ N 24.

3. Е. Е. Мешков, "Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемой ударной волной". Изв. АН СССР, МЖГ, N 5, с. 151-158, 1969.

4. В. Розанов, И.Лебо, С.Зайцев, Е.Лазарева, Е.Чеботарева, А.Алешин, С. Титов, А.Василенко, О.Буряков, О.Куропатеннко, В.Ольховская, В.Ратников, В. Яковлев, И.Жидков, Е.Мешков, Н.Невмержицкий. "Экспериментальное исследование гравитационной неустойчивости и турбулентного перемешивания стратифицированных потоков в поле ускорения в связи с задачами инерциального термоядерного синтеза". Препринт ФИАН им. Лебедева, N 56, с.63, 1990,.

5. M.Legrand, N.Toqye. "Interface Instabilities Occurinng During an Expolosive Driven Implosion". Centere d'Etudes de Vaujours-Moronvilliers.B.P. 7, 77181 Courty, France. III International Workshop The Physics jn Compressible Turbulent Mixing Abbey of Roydumont (France). June 17-19, 1991, p. 9-18.

6. S. Zaytsev, A.Aleshin and E.Lazareva, "Rictmyer-Meahkov instability for two- and three- dimensional interfaces". The Proc. of the 4th Int Worcsop on the Physics of Compressible England Ed. by P.Linder, D.Youngs and S. Dalziel. Pr by Cambrige Univ. Press, Cambridge England.

7. Е. П.Шабалин. "Импульсные реакторы на быстрых нейтронах". М. Атомиздат, 1976.

8. A.H. Kazi, T.A. Dunn, R.C. Harrisson, and D.O. Wiliams. "Characteristics of Pulser FAST Neutron-to-gamma-ray converters", Nuclear technology, vol. 25, march 1975.

9. Буйко А.М., Волков Г.И., Гаранин С.Ф. и др. "Исследование возможности получения термоядерной замагниченной плазы в системе с магнитным обжатием". ДАН, т.344, N 3, с.323, 1995.

10. Э.Хенли, Э.Джонсон. "Радиационная химия". М., Атомиздат, 1974.

11. Андронов В.А., Бахрах С.М., Мешков Е.Е., Никифоров В.В. "Экспериментальное исследование и численное моделирование турбулентного перемешивания в одномерных течениях". ДАН СССР, 1982, т. 264, с.76-82.

12. Сб. "Численное решение задач газовой динамики". Годунова С.К., Наука, 1976 г.

13. К. Бекурц, К.Виртц. "Нейтронная физика". М., Атомиздат, 1968.

14. T.W.L.Sandorf, L.J.Lorence, J.A.Halbleid, J.G.Kelly, P.J.Griff, J.W. Poukey, W. H. McAtee and R.C.Mock. "Photoneutron Production Using Bremsstrahlung from the 14-TW Pulsed-Power HERMES III Electron Acceltrator". NUCLEAR SCIENCE AND ENGINEERING: 114, 190-213 (1993).

Использование: относится к научным моделям в технической физике, может найти применение для исследований в области инерциального термоядерного синтеза, для решения прикладных задач, связанных с необходимостью исследования перемешивания непрозрачных сред, и т.д. Сущность изобретения: способ моделирования нестационарного течения вещества заключается в заполнении сосуда веществами разной плотности и формировании ударной волны в них с помощью химического взрывчатого вещества. При этом низкоплотное вещество выбирают по способности замедлять нейтроны, а высокоплотное - поглощать в реакции радиационного захвата. Регистрацию течения осуществляют путем измерения временной зависимости для гамма-импульса, генерируемого в исследуемых веществах от импульсного источника нейтронов с характерной длительностью, много меньшей временного масштаба исследуемого процесса. Импульсный источник нейтронов выбирают с выходом нейтронов за импульс N, равным 10⁶ ≤ N ≤ 10^1 7 при полуширине /длительности на полувысоте/ импульса τ_1/2≤ 1μs . Олсуществляют исследование различных стадий течения вещества путем регулировки синхронности задействования источника ударной волны и импульсного источника нейтронов. Границу соприкосновения веществ выполняют с возмущениями любого типа. Вариант заполнения сосуда дополнительным высокоплотным веществом внутри низкоплотного позволяет изучать не только стадию сжатия, но и стадию разлета. Способ позволяет изучить физические процессы, возникающие в непрозрачных средах различной плотности под воздействием высоких температур и давлений; исследуются процессы перемешивания в устройствах с произвольной геометрией. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ моделирования нестационарного течения вещества, включающий заполнение сосуда веществами разной плотности, формирование ударной волны в них с помощью химического взрывчатого вещества, регистрацию течения, отличающийся тем, что низкоплотное вещество выбирают по способности замедлять нейтроны, вещество с более высокой плотностью - по способности поглощать нейтроны по реакции радиационного захвата, регистрацию течения осуществляют путем регистрации гамма-импульса, генерируемого в веществах от импульсного источника нейтронов с длительностью, много меньшей временного масштаба исследуемого процесса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что низкоплотным веществом заполняют внутренний объем сосуда, высокоплотное размещают между стенкой сосуда и низкоплотным веществом. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что импульсный источник нейтронов выбирают с выходом нейтронов N за импульс, равным 10⁶ ≤ N ≤ 10^1 7, при полуширине τ импульса τ_1/2≤ 1μs и располагают перпендикулярно источнику ударной волны. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют синхронность задействования источника ударной волны и импульсного источника нейтронов для исследования различных стадий течения вещества. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что границу соприкосновения веществ выполняют с возмущениями любого типа. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно размещают вещество с высокой плотностью по способности поглощать нейтроны по реакции радиационного захвата внутри низкоплотного вещества.