авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Нелинейные волны второго звука и акустическая турбулентность в сверхтекучем гелии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЕФИМОВ Виктор Борисович

НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНЫ ВТОРОГО ЗВУКА И АКУСТИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В СВЕРХТЕКУЧЕМ ГЕЛИИ

специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Черноголовка – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Гордон Евгений Борисович

Доктор физико-математических наук

Михин Николай Петрович

Доктор физико-математических наук, профессор

Шикин Валерий Борисович

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск

Защита состоится « 28 » июня 2011 г. в 10:00

на заседании диссертационного совета Д002.100.01 при Учреждении Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН, 142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФТТ РАН

Автореферат разослан «_20_» « мая » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор физико-математических наук

профессор Зверев В.Н.

©В.Ефимов

©ИФТТ РАН

©ИПХФ РАН

Общая характеристика работы

Объект исследования и актуальность темы.

Понятие турбулентности (от латинского turbulentus - беспорядочный) возникло для описания сложного, неупорядоченного во времени и пространстве поведения диссипативной среды. Турбулентность возникает в сильно нелинейной среде со слабой диссипацией с большим количеством степеней свободы при больших возбуждениях (отклонениях от положения равновесия). Для турбулентных процессов характерен поток энергии из области низких частот, где происходит возбуждения от внешних источников в область высоких частот, где энергия поглощается вязкостным трением через инерционный интервал частот или длин волн, в котором нет накачки от внешних источников, а диссипация мала или отсутствует.

В последние годы сильно возрос интерес к изучению нелинейных процессов и возникновению турбулентности в конденсированных средах. Появилось довольно большое количество теоретических исследований процессов формирования и затухания турбулентных каскадов в то время, как экспериментальные данные для таких процессов, в частности, турбулентных явлений в объеме конденсированных сред практически отсутствовали. Связано это было, во-первых, с относительной малой нелинейностью акустических волн и преобладанием во многих средах вязкого затухания в объеме исследуемых объектов. Во-вторых, при проведении экспериментов требовалось накапливать и обрабатывать большие объемы информации, что стало возможным лишь с появлением компьютеризации экспериментов.

Актуальность представляемой работы определяется тем, что существует большое число теоретических исследований турбулентных явлений в конденсированных средах и практически полностью отсутствуют экспериментальные данные, которые подтвердили бы или опровергли предсказания теории. Работа посвящена экспериментальному изучению турбулентных процессов при распространении сильно нелинейных волн в среде с малым затуханием, исследованию образования ударных волн, формированию, существованию и распаду энергетических каскадов при перекачке энергии от частот возбуждения в диссипативную область для акустической турбулентности, используя в качестве среды сверхтекучий гелий.



Использование второго звука в сверхтекучем гелии предоставляет уникальную возможность исследовать законы акустической турбулентности в лабораторных условиях в среде с аномально большим и легко изменяемым коэффициентом нелинейности скорости волн второго звука. Это позволяет изучать поведение сильно нелинейных волн с малой амплитудой T~1 mK, для которых T/T<<1 и поправки к термодинамическим функциям волны являются малыми величинами. При этом аномально большой коэффициент нелинейности позволяет достигать чисел Маха больше 10-3.

Таким образом, цель диссертационной работы заключается в изучении акустической турбулентности, в исследовании особенностей распространения нелинейных волн в среде с малым затуханием и линейным законом дисперсии – волн Бюргерса. Работа направлена на изучение особенностей взаимодействия таких волн, исследования стационарных и динамических процессов при переносе энергии в спектральном и реальном пространстве из области накачки энергии в систему в область ее диссипации.

Научная новизна работы определяется в получении экспериментальных результатах при исследовании нелинейных волновых и турбулентных процессов. Впервые были измерены коэффициенты нелинейности волн второго звука под давлением, наблюдена эволюция бегущих волн от линейных к нелинейным. Была изучена генерация волн первого звука при больших мощностях нагревателя, было показано, что рождение первого звука при мощностях выше критических идет через нарушение сверхтекучести. Впервые было наблюдено существование турбулентного каскада волн второго звука в дискретном частотном пространстве при передаче энергии от низких частот, где происходит накачка системы, в высокочастотную область вязкостного поглощения через инерционный интервал, формирование и распад таких каскадов. Впервые был наблюден и изучен обратный каскад, когда наряду с прямым потоком энергии в высокочастотный край спектра образуется еще и обратный каскад дробных частот от частоты монохроматической накачки. Было показано, что при увеличении амплитуды нелинейных волн второго звука в сверхтекучем гелии происходит стохастизация взаимодействия кратных гармоник – формируется развитая акустическая турбулентность.

Предложенный в работе подход к изучению свойств нелинейных волн в экспериментах со вторым звуком в сверхтекучем гелии открывает новое научное направление исследований: экспериментальное изучение акустической турбулентности в конденсированных средах, условий формирования инерционного каскада Колмогоровского типа, особенностей перехода от волновых режимов к вязкостному затуханию, порогового развития неустойчивостей и возникновения обратного каскада, где энергия переносится в низкочастотную часть спектра, в наблюдении в среде с линейным законом дисперсии (для волн Бюргерса) одиночных волн с аномально большой амплитудой (“freak waves”).

Практическая значимость

Развитый в диссертации подход позволяет подробно изучать распространения нелинейных волн и их взаимодействие, исследовать стационарные энергетические каскады в спектральном пространстве, изучать их формирование и распад. Эта модельная система позволяет экспериментально проверять теоретические модели для волновой турбулентности в конденсированных средах.

На защиту выносятся следующие основные результаты

  1. Исследованы процессы формирования бегущих ударных волн второго звука в зависимости от интенсивности волны, расстояния, пройденного волной, и коэффициента нелинейности скорости волны. Проведен широкий круг исследований генерации импульсных волн второго и первого звуков малоинерционным нагревателем в одномерной и трехмерной геометрии в том числе при повышенных давлениях. Показано, что закипание гелия при больших плотностях теплового потока при давлении насыщенных паров так же, как и нарушение сверхтекучести при повышенных давлениях, происходит через развитие вихревой турбулентности.
  2. Разработана методика формирования турбулентных состояний в системе волн второго звука в цилиндрическом резонаторе с высокой добротностью. Найдено, что при накачке на собственной резонансной частоте резонатора возникает достаточно большое количество кратных гармоник (несколько десятков), амплитуды которых в достаточно широком частотном интервале (инерционный интервал), описываются зависимостью типа Колмогоровской с дискретным энергетическим спектром Af ~ f -m, где m для развитых спектров приближается к 1.5, что близко к теоретическим зависимостям для слабой турбулентности. Впервые экспериментально было обнаружено, что для волн второго звука при акустической турбулентности инерционный интервал кратных гармоник сменяется областью частот, где доминируют диссипативные процессы (вязкостное затухание).
    При этом граничная частота инерционной области пропорциональна интенсивности накачки и амплитуде основной гармоники.
  3. Установлено, что при накачке резонатора двумя резонансными частотами разной интенсивности (либо при формировании субгармоник для сформированного обратного каскада) наблюдается энергетический каскад с комбинационными частотами, что сопровождается изменением зависимости Af ~ f -m (подавлением прямого каскада) за счет перераспре-деления потока энергии между всеми гармониками.
  4. Было показано, что акустическая турбулентность в сверхтекучем гелии при дискретном спектре проявляет свойства как сильной, так и слабой турбулентности и характеризуется стохастизацией фаз гармоник высоких номеров.
  5. Исследована динамика формирования и распада частотного спектра при включении и выключении накачки. Показано, что при формировании прямого каскада кратные гармоники в волне Бюргерса в резонаторе ведут себя как слабо взаимодействующие инерционные осцилляторы, амплитуда которых медленно нарастает со временем. Впервые удалось разделить нелинейное время, определяющее передачу энергии от гармонического сигнала накачки к кратным гармоникам, и линейное время определяющее затухание колебаний на данной частоте (зависящее от добротности резонатора при малых интенсивностях сигнала).
  6. Впервые наблюдено возникновение обратного волнового каскада одновременно с прямым каскадом, когда наряду с кратными гармониками возбуждаются еще и субгармоники.
  7. Установлено, что в процессах взаимодействия волн при большой интенсивности накачки энергии в систему, существенную роль играет взаимодействие всех гармоник между собой, а не только с основной гармоникой, т.е. формируются турбулентные процессы.
  8. Впервые экспериментально показано, что при формировании обратного каскада возможно возникновение волн с амплитудой, сильно превосходящей окружение. Таким образом, и в среде с линейной дисперсией (в турбулентности Бюргерса) оказалось возможным наблюдение возникновения аномально больших волн – ”freak waves”, «волн убийц».

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью результатов на разных экспериментальных установках, на разных экспериментальных ячейках и при разных условиях. Изменение условия проведения экспериментов, температуры жидкого гелия и его давления кардинально меняет нелинейные свойства изучаемых волн, что позволяет утверждать, что наблюдаемые эффекты не являются артефактами. Полученные экспериментальные данные сравнивались с результатами теоретических расчетов различных авторов (например, [L1, L2]) и компьютерного моделирования при схожих условий, проведенного Г.В.Колмаковым.

Личный вклад автора

В проведенных исследованиях автору принадлежит решающий вклад в постановке исследований, разработке методики измерений, проведении экспериментов и их интерпретации.

Апробация результатов – результаты работы обсуждались на следующих конференциях:

  • Международные конференции по физике низких температур LT-21, Prague, Chech Republic, August 1996; LT-22, Helsinki, Finland, August 1999; LT-25, Amsterdam, Holland, August 2008;
  • 1-3 Международные конференции по физике низких температур в условиях микрогравитации, Черноголовка, Россия, CWS-1997, CWS-1999, CWS-2002;
  • The XXI international Conference on Relaxation Phenomena in Solids, Воронеж, Россия, Октябрь 2004;
  • Международная конференция по физике турбулентности, Warwick ESF workshop, Warwick, UK, December 2005;
  • 6 – 8 Международные конференции по физике криокристаллов и квантовых кристаллов – International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals CC-2006, Kharkov, September 2006; CC-2008, Wroclaw, Poland July 2006; CC-2010, Черноголовка, Россия, Июль 2010;
  • Международные конференции по квантовым жидкостям и твердым телам QFS-2006, Kyoto, August 2006, Japan; QFS-2007, Казань, Россия, Август 2007; QFS 2009, Evanston, USA, August, 2009;
  • Международная конференция – Superfluid under rotation 2007, Jerusalem, Israel, April 2007;
  • Международная конференция – "Solitons, Collapses and Turbulence" Черноголовка, Россия, Август 2009;
  • Международная конференция – MSS-09, Москва, Россия, Ноябрь 2009;
  • Международная конференция – International workshop "Vortices, superfluid dynamics and quantum turbulence", Lammi, Finland April 2010;
  • XIX научная сессия Совета РАН по нелинейной динамике, Москва, Декабрь 2010;
  • Международная конференция по нелинейности – Progress In Electromagnetics Research Symposium, Marrakesh, MOROCCO, March 2011.

Структура и объем диссертации





Диссертация состоит из общей характеристики работы, 4 частей с 7 главами и заключения. Работа изложена на 231 страницах, содержит 81 рисунок и список литературы из 226 наименований.

Содержание работы

В первом разделе приведена общая характеристика диссертации, охарактеризованы цели и задачи работы.

Часть I. Введение. Акустическая турбулентность в жидком гелии и экспериментальная техника для ее изучения.

В первой главе рассмотрены типы нелинейности и особенности распространения волн в сверхтекучем гелии. Первоначально понятие турбулентности возникло при изучении движения жидкостей и газов. В современной физике понятие турбулентности используется для любых процессов, для которых характерен переход от регулярного (ламинарного) движения к хаотическому (турбулентному), определяемому нелинейными процессами в системах, имеющих большое количество степеней свободы. Этот переход от упорядоченного пространственно-временного поведения к турбулентному происходит при увеличении степени неравновесности системы, характеризуемой безразмерным параметром (числом Рейнольдса или его аналогами), указывающим на отношение динамических характеристик системы (скорость, градиенты температуры и т.д.) к диссипативным (вязкость, коэффициент поглощения).

По характеру динамических процессов различают несколько типов турбулентности. Например, для кинетической турбулентности, наблюдаемой при движении жидкостей или газов с большими скоростями, характерны доминирование кинетических процессов над диссипативными. Переход от ламинарного движения к турбулентному происходит при достижении числа Рейнольдса (R=v L/, где v и L скорость движения системы и ее размеры, - вязкость) величин в несколько тысяч.

Схожие процессы происходят в среде с градиентом температуры в силовом поле при наличии потоков вещества, связанных с архимедовыми силами. Значительное превосходство энергии динамического движения, связанного с архимедовыми силами, над вязкостными потерями и передачей тепла за счет теплопроводности приводит к смене ламинарного процесса, описываемого классической теплопроводностью и вязкостью, к конвективной турбулентности. Переход происходит при увеличении безразмерного параметра – числа Рэлея, которое учитывает все процессы, переноса тепла в системе (комбинация гравитационной постоянной, разности температур, коэффициента теплового расширения среды, размеров прибора, вязкости и температуропроводности) выше величины в несколько сотен.

При акустической турбулентности нелинейные процессы при движении волны в среде существенно превосходят ее затухание. Это приводит к укручению формы волны и перекачке энергии в высокочастотную часть спектра, где и происходит диссипация энергии. Безразмерный параметр, описывающий конкуренцию нелинейных процессов, вызывающих укручение волны и ее затухание, это акустическое число Рейнольдса – отношение произведения коэффициента нелинейности скорости движения волны на ее амплитуду к величине коэффициента затухания волны. Акустическая турбулентность возникает при распространении нелинейной звуковой волны в среде с малым затуханием. При этом первоначально бегущая гармоническая волна превращается в ударную волну с диссипацией энергии на разрыве волны (в области высоких частот). Ширина разрыва определяется величиной акустического числа Рейнольдса. В приведенной выше классификации волны на поверхности жидкости, где также конкурируют два процесса – укручение волны за счет нелинейности и затухание волны за счет вязкости, можно отнести к акустической турбулентности. Возникающий при этом переход от линейной волны к неупорядоченному турбулентному движению – это переход к акустической турбулентности.

Для изучения акустической турбулентности в среде необходимо возбуждать слабо затухающую волну с нелинейной зависимостью скорости распространения волны от ее амплитуды. Примером таких волн служат интенсивные звуковые волны в жидкости. Наличие нелинейности скорости звука – зависимость скорости звука от его амплитуды – приводит к нарастанию высших гармоник для первоначально гармонической волны и характеризует длину пробега волны для образования ударного фронта.

В нашей работе для исследования поведения нелинейных волн мы изучали распространение тепловых волн (волн второго звука) в сверхтекучем гелии. Напомним, что в сверхтекучем гелии-4 (He-II) имеет место наличие двух компонент – нормальной и сверхтекучей. При этом в He-II наряду с обычным (первым) звуком, представляющим из себя колебания плотности или давления, сверхтекучая и нормальная компоненты в котором движутся синфазно, может существовать второй звук – волны энтропии или слабо затухающие тепловые волны, в которых нормальная и сверхтекучая компоненты движутся в противофазе с практически неизменной суммарной плотностью.

Преимущество сверхтекучего гелия для моделирования поведения нелинейных волн определяется уникальными свойствами гелия, а именно, аномально большим коэффициентом нелинейности волн второго звука, знак которого меняется при изменении температуры. Таким образом, в удобном для экспериментаторов температурном диапазоне (T>1.2 K), достигаемом откачкой паров жидкого гелия-4, можно получать как большой положительный коэффициент нелинейности скорости ротонного второго звука (при T<1.88 K), так и отрицательный, стремящийся к - при приближении к T, т.е. при температурах близких к температуре сверхтекучего перехода тепловая волна любой формы малой амплитуды при очень малых пробегах становится ударной. При температуре 1.88 К коэффициент нелинейности проходит через ноль. Волны второго звука имеют очень малое затухание, что позволяет достичь величин акустического коэффициента Рейнольдса вплоть до сотни. Характерные значения амплитуды волны второго звука для образования ударной волны из гармонической волны при пробегах в несколько сотен длин волн не превосходят нескольких mK. В этом случае мы можем обсуждать результаты измерений в рамках модели малых возмущений (T/T0<<1), т.е. термодинамические величины в волне можно считать неизменными. Для сравнения, в воде образование разрыва в первоначально гармонической волне происходит на расстоянии в двести пятьдесят длин волн амплитуде колебаний давления в в бегущей волне в пять атмосфер акустического давления [L3]. При этом возмущение среды составляет величину P/P0~1.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.