ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2022, № 12 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Численный анализ динамики молекулярного газа при импульсной лазерной абляции

А.А. Фролова1

1 Федеральный Исследовательский центр «Информатика и управление» РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2022.12.1 УДК 533.5 EDN KVWOKL

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.

  • модельные кинетические уравнения
  • вращательные степени свободы
  • импульсная лазерная абляция
  • нестационарные задачи
Abstract (in English)

Numerical analysis of molecular gas dynamics under pulsed laser ablation

The evaporation of a molecular gas with rotational degrees of freedom caused by the action of a pulsed nanosecond laser (pulsed laser ablation) of moderate intensity is considered. Model kinetic equations that account for the exchange of translational and rotational energies using a two-temperature model are used to account for the influence of internal energy on the vapor-gas cloud dynamics. Rykov equations (R-model) are integrated when modeling the flow of a diatomic gas, and a generalization of the Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) equation for a molecular gas is used to calculate the flow of nonlinear molecules with a number of rotational degrees of freedom equal to three. Taking into account the influence of internal energy on the gas flow is realized by relaxation terms approximating the collision integral as a sum of elastic and inelastic collisions. Since in the model kinetic equations the collision frequency does not depend on the velocities, and the influence of internal energy is taken into account only due to temperature changes, it is necessary to compare with more realistic approaches, which include, for example, the method of direct simulation Monte Carlo (DSMC). The comparison shows that the change in the average temperature over time and the vapor-gas cloud parameters (density and temperature), obtained by the solution of the kinetic equations and the DSMC method, are close. Calculations of the problem of pulsed laser ablation by direct integration of kinetic equations are carried out by the method of discrete ordinates and are a difficult computational problem, which is associated with discontinuous boundary conditions, the presence of both continuum regions and free molecular flow regions in the solution, as well as the need to calculate the vapor-gas cloud dynamics for a large time interval. To reduce computational costs, grid adaptation in physical and velocity spaces is used.

Для цитирования

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

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