ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №12
Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.1

УДК: 533.5

Численный анализ динамики молекулярного газа

при импульсной лазерной абляции

А.А. Фролова

Федеральный Исследовательский центр «Информатика и управление» РАН
119333, Москва, ул. Вавилова, 44, корп. 2

Статья поступила в редакцию 20 ноября 2022 г.

Аннотация. Рассматривается испарение молекулярного газа с вращательными степенями свободы, вызванное действием импульсного наносекундного лазера (импульсной лазерной абляцией) умеренной интенсивности. Для учета влияния внутренней энергии на динамику облака разреженного газа используются модельные кинетические уравнения, учитывающие обмены поступательной и вращательной энергий с помощью двухтемпературной модели. При моделировании течения двухатомного газа решаются уравнения Рыкова
(R-модель), а при расчете динамики многоатомных нелинейных молекул с числом вращательных степеней свободы равным трем используется обобщение уравнения Бхатнагара-Гросса-Крука (БГК) для молекулярного газа. Учет влияния внутренней энергии на течение газа реализуется релаксационными членами, аппроксимирующими интеграл столкновений в виде суммы упругих и неупругих столкновений. Так как в модельных кинетических уравнениях частота столкновений не зависит от скоростей, а учет влияния внутренней энергии на параметры газа осуществляется только за счет изменения температур, то необходимо сравнение с более реалистичными подходами, к которым относится, например, метод прямого статистического моделирования (ПСМ). Проведенное сравнение показывает, что изменение средней температуры во времени и параметры парогазового облака (плотность и температура), полученные решением кинетических уравнений и методом ПСМ, дают близкие значения. Показано уменьшение интенсивности обменов внутренней энергии при увеличении числа Кнудсена (уменьшении монослоев испаряемого вещества). Расчеты задачи импульсной лазерной абляции прямым интегрированием кинетических уравнений проводятся методом дискретных ординат и представляют собой трудную вычислительную задачу, что связано с разрывными граничными условиями, наличием в решении как континуальных областей, так и областей свободномолекулярного течения, а также необходимостью расчета динамики парогазового облака для большого временного интервала. Для уменьшения вычислительных затрат используется адаптация сетки в физическом и в скоростном пространствах.

Ключевые слова: модельные кинетические уравнения, вращательные степени свободы, импульсная лазерная абляция, нестационарные задачи.

Автор для переписки: Фролова Анна Аверкиевна, aafrolova@yandex.ru

Литература

1. Itina T.E., Hermann J., Delaporte P., Sentis M. Laser-generated plasma plume expansion: Combined continuous-microscopic modeling. Physical Review E. 2002. V.66. P.066406. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.66.066406

2. Bykov N.Y., Bulgakova N.M., Bulgakov A.V., Loukianov G.A. Pulsed laser ablation of metals in vacuum: DSMC study versus experiment. Applied Physics A. 2004. V.79. P.1097. https://doi.org/10.1007/s00339-004-2654-6

3. Morozov A.A., Mironova M.L. Numerical analysis of time-of-flight distributions of neutral particles for pulsed laser ablation of binary substances into vacuum. Applied Physics A. 2017. V.23. №12. P.783. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1400-9

4. Morozov A.A. Analysis of time-of-flight distributions under pulsed laser ablation in vacuum based on the DSMC calculations. Applied Physics A. 2013. V.111. №4. P.1107-1111. https://doi.org/10.1007/s00339-012-7325-4

5. Быков Н.Ю., Лукьянов Г.А. Моделирование импульсной лазерной абляции твердого материала на базе тепловой модели мишени и прямого статистического моделирования разлета пара. Теплофизика и аэромеханика. 2003. Т.10. №3. С.401-410.

6. Gusarov A.V., Smurov I. Target-vapour interaction and atomic collisions in pulsed laser ablation. Journal of Physics D: Applied Physics. 2001. V.34. P. 1147-1156. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/8/304

7. Anisimov S.I., D. Bäuerle D., Luk’yanchuk B.S. Gas dynamics and film profiles in pulsed-laser deposition of materials. Physical Review B. 1993. V.48. P.12076. https://doi.org/10.1103/physrevb.48.12076

8. Анисимов С.И., Б.С. Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции. Успехи физических наук. 2002. Т.172. №3. С.301-333. https://doi.org/10.3367/UFNr.0172.200203b.0301

9. Morozov A.A. Dynamics of pulsed expansion of polyatomic gas cloud internal translational energy transfer contribution. Physics of Fluids. 2007.V.19. P.087101. https://doi.org/10.1063/1.2754347

10. Morozov A.A. Analytical model for polyatomic gas expansion under pulsed. Physics of Fluids. 2008. V.20. P.027103. https://doi.org/10.1063/1.2841624

11. Morozov A.A., Frolova A.A., Titarev V.A. On different kinetic approaches for computing planar gas expansion under pulsed evaporation into vacuum. Physics of Fluids. 2020. V.32. №11. P.112005. https://doi.org/10.1063/5.0028850

12. Titarev V.A., Morozov A.A. Arbitrary Lagrangian-Eulerian discrete velocity method with application to laser-induced plume expansion. Applied Mathematics and Computation. 2022. V.429 P.127241. https://doi.org/10.1016/j.amc.2022.127241

13. Wang Z, Yan H, Li Q, Xu K. Unified gas-kinetic scheme for diatomic molecular flow with translational, rotational and vibrational modes. Journal of Computational Physics. 2017. V.350. P.237-259. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.08.045

14. Andries P, LeTallec P., Perlat J, Perthame B. The Gaussian-BGK model of Boltzmann equation with small Prandtl number. European Journal of Mechanics- B/Fluids. 2000. V.19. P.813-830. https://doi.org/10.1016/s0997-46(00)01103-1

15. Рыков В.А. Модельное кинетическое уравнение для газов с вращательными степенями свободы. Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1975. №6. С.107-115.

16. Титарев В.А. Фролова А.А. Применение модельных кинетических уравнений для расчетов сверх- и гиперзвуковых течений молекулярного газа. Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2018. №4. C.95-112. https://doi.org/10.1134/S0015462818040110

Фролова А.А. Численный анализ динамики молекулярного газа при импульсной лазерной абляции. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.1