| Исследование процессов горения, детонации и взрыва газовых смесей в сложной геометрии |
 ИТЭС ОИВТ РАН проводит широкий спектр экспериментальных и численных исследований, охватывающих практически все аспекты физики интенсивных воздействий на вещество: как ставшие традиционными ударно-волновые и интенсивные тепловые (в том числе при нагреве электрическим током), так и новейшие технологии воздействия излучением, включая воздействия сверхмощным импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности.
Высокая степень концентрации энергии, достигаемая при интенсивном импульсном воздействии на вещество, создает уникальные возможности исследования поведения материалов в экстремальных условиях. Характеризуемые высокими температурами и давлениями, такие условия реализуются не только в ядрах планет, звездах и эпицентрах термоядерных и ядерных взрывов, но и в современных энергонапряженных технологиях. Это и определяет актуальность данной тематики исследований Института. Прикладными целями исследований являются способы получения сверхвысоких температур и давлений, например, в системах инерциального термоядерного синтеза, разработка эффективных методов обеспечения безопасности энергонапряженных производств, а также, в перспективе, новейшие технологии получения и обработки материалов. |
| ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД “СФЕРА” |
Стенд "Сфера" предназначен для исследования горения газовых смесей, локализации сверхсильных электрических разрядов и исследования свойств веществ при экстремальных параметрах, получаемых при взрывах.
Основной частью стенда "Сфера" является уникальная взрывная камера 13Я, имеющая следующие параметры:
- Диаметр - 12 м
- Толщина стенки - 100 мм
- Масса с подставкой - 850 т
- Пробное статическое давление - 150 атм
|
Общий вид камеры |
Момент закрытия верхнего люка камеры перед крупномаштабным экспериментом |
Процессы горения газовых смесей, исследуемые в камере, связаны с проблемами безопасности объектов атомной, химической и газовой промышленности. Особое значение для выработки мер по безопасности промышленных объектов и прогнозированию последствий аварий имеют крупномасштабные эксперименты с реакционноспособными газовыми смесями.
Горение в большом замкнутом объёме приводит к формированию волн и потоков перед фронтом пламени, которые могут привести к возникновению объемного взрыва смеси, как это показано на нижних рисунках.
|
Шлирен-фотография процесса возникновения взрыва за отраженной плоской ударной волной |
Фоторазвертка процесса развития взрыва в кумулирующем объёме (момент инициирования отмечен вспышкой в левом нижнем углу) |
|
Камера 13Я позволяет проводить эксперименты с горючими газами с большим
суммарным энерговыделением и исследовать режимы нестационарного горения
газовых смесей, при которых возникают давления, в десятки и более раз
превосходящие давление Чепмена-Жуге во фронте стационарной детонации.
Экспериментально установлено, что в больших объёмах эти процессы могут
развиваться от слабой искры.
|
| Математическое моделирование крупномасштабных пожаров |
Исследование крупномасштабных
газодинамических процессов
в стратифицированной атмосфере над
очагом пожара необходимо для
определения закономерностей
формирования конвективных потоков
и распространения загрязнений с учетом
влияния факторов состояния атмосферы.
Для отработки стратегии тушения
крупномасштабного пожара была
создана его трехмерная интегрированная
модель и проведен соответствующий
вычислительный эксперимент.
Представлены результаты расчета
пожара при наличии бокового ветра.
Размер очага - 10 км, скорость
ветра -10 м/с, мощность источника-
0.05 МВт/м2.
|
 |
 |
 |
Эволюция облака дыма над очагом пожара |
Распределение концентрации частиц дыма в плоскости растекания и в горизонтальной плоскости на высоте 500 м при t=30 мин |
Вихревая структура течения над очагом пожара t = 20 мин. |
| Математическое моделирование высокоскоростного удара |
Механика высокоскоростного удара характеризуются
сложными физическими процессами: ударными волнами,
фазовыми превращениями, разрушением материала и др.
Современные математические модели позволяют с высокой
точностью описывать взаимодействие высокоскоростных
ударников (пуль, снарядов, частиц космического
мусора и метеороидов) с преградами (экранами, броней,
защитой космических аппаратов).
В ИТЭС созданы программные комплексы, использующие
эффективные численные методы (распадные схемы с
адаптивными сетками и методы сглаженных частиц) и расчет
реальных свойств материалов. Эти модели позволяют
получать в вычислительном эксперименте характеристики
систем защиты от высокоскоростного удара в диапазоне
скоростей 0,1 - 100 км/с.
|
Расчетные и экспериментальные баллистические кривые пробивания стальной пластины свинцовым цилиндрическим ударником (m=9,6г, d=6 мм) |
Взаимодействие свинцового циллиндрического ударника (d=7.62 мм, V=800 м/с) со стальной преградой |
Пробивание стальной преграды циллиндрическим ударником (d=7.62 мм, V=500 м/с) |
Взаимодействие свинцового циллиндрического ударника d=7.62 мм, V=800 м/с) со стальной преградой |
|
"Фундаментальные атомные и плазменные явления в сверхсильных лазерных полях">
Фундаментальные исследования электродинамических и плазменных
явлений, происходящих при воздействии на различные среды сверх-
мощных лазерных импульсов, являются научным базисом решения
таких важных физико-технических проблем как создание источников
ультрафиолетового, рентгеновского и более жесткого электромагнитного
излучения, разработка новых концепций компактных лазерно-плазменных
ускорителей заряженных частиц, определение свойств веществ в
экстремальных состояниях и совершенствование лазерных технологий
обработки материалов.
В рамках этого направления в ИТЭС проведено изучение динамики
каналированного распространения интенсивных лазерных импульсов в
ионизующемся веществе и исследована нелинейная структура
кильватерных плазменных полей. Найдены условия, при которых
процессы ионизационной дефокусировки не препятствуют
сфокусированному распространению на большие расстояния мощного
лазерного импульса в плазме оптического разряда. Разработана теория
ускорения релятивистских электронных сгустков в кильватерной волне.
Определена трехмерная область захвата электронов кильватерной
волной из пространственно протяженного пучка для создания
и многократного сжатия коротких электронных сгустков, что
обеспечивает их эффективное моноэнергетическое малоэмиттансное
ускорение.
Полученные результаты открывают новые возможности для создания
активной среды сверхярких источников жесткого излучения и
компактных лазерно-плазменных ускорителей с рекордными темпами
ускорения ~ 1 ГэВ/м.
Структура ионной плотности в длинном
плазменном канале при распространении
мощного ультракороткого лазерного
импульса в неоднородном ионизующемся
газе
| 
Результат оптимизации лазерных и плазменных параметров
для монохроматического ускорения сгустка электронов
в кильватерной волне, создаваемой лазером с мощностью
50 ТВт и длительностью импульса 100 фс
|
|
|
|
ВОЗДЕЙСТВИЕ МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НА ВЕЩЕСТВО
|
Неравновесный нагрев электронов и решётки твёрдых тел
“Горячие" электроны - "холодная" решётка
Вещество: металлы, полупроводники, графит
Время электрон-фононной релаксации - ~10-12 c
Параметры лазера: ~ 10-13¤10-11 s,I ~ 1010¤ 1013 W.cm-2
| Тепловое излучение холодного
вещества
Новое, экспериментально обнаруженное
и теоритически обоснованное явление.
| Вещество | Температура
электронов | Температура
ионов
| | Серебро | Te-4000 K | Ti<1000 K
| | Графит | Te-12000 K | Ti<3000 K
|
|
Область применения:
- измерение параметров релаксационных процессов
в фундаментальных физических исследованиях (имеется патент);
- высокотемпературный источник (10 4 К)
теплового излучения "горячих" электронов при "холодной"
решётке для оптической пирометрии;
- неразрушающий контроль металлических включений
- в прозрачных диэлектриках ( имеется патент)
|
|
НЕРАВНОВЕСНЫЙ НАГРЕВ ЭЛЕКТРОНОВ, СПИНОВ И РЕШЕТКИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
"Холодные" спины - "горячая" решётка в ферромагнетиках
Ферромагнетики: Ni, TbFeCo
Параметры лазера: t~10-13 10-11 s,I ~ 1010 1012 W.cm-2
Впервые наблюдались и изучаются следующие явления:
|
Высокотемпературный жидкий
ферромагнетик время жизни
~100 1000 ps
| 
Динамика электрон-спин-решеточной
релаксации в пленках TbFeCo
|
Динамика спинов при изменении магнитной анизотропии
( spin reorientation < 1 ps)
Область применения:
- сверхбыстрая магнитная электроника
- новые материалы для магнитной записи информации
- быстродействующие датчики и переключатели
|
|
СВЕРХБЫСТРЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Образование жидкого углерода и аморфного
поверхностного слоя при плавлении
микрокристаллического графита
 
Образование поверхностных периодических
структур
микрокристаллический графит
| Основное положение
теоретической модели-
отрыв величины электронной
температуры от температуры
решетки
Те>>Ti
|
Область применения:
- создание новых материалов и поверхностных пленок
- с новой структурой и физическими свойствами
|
|
Основные направления исследований в области физики сверхсильных лазерных полей
(поток мощности лазерного импульса до 10 19 Вт/см2)
- Фундаментальные свойства атомов и ионов в сверхсильных полях
- Свойства лазерной плазмы газовых и твердотельных мишеней
- Возбуждение низколежащих ядерных уровней и ядерных реакций в фемтосекундной лазерной плазме
- Металлические кластеры и нанокластерная плазма в сверхсильном лазерном поле
- Разработка источников излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах частот на основе фемтосекундной лазерной плазмы
- Фундаментальные ударно-волновые свойства вещества при сверхвысоких плотностях энергии
- Разработка и экспериментальное применение новых методов диагностики сверхбыстрых процессов
- Лазерная фемтосекундная обработка материалов
|
|
Фемтосекундные лазерные технологии в технике, электронике, химии, биологии, медицине
- Создание новых материалов и поверхностных плёнок с новой структурой и физическими свойствами
- Изучение и оптимизация воздействия фемтосекундного лазерного излучения на биоткани и биоматериалы, терапевтическое и хирургическое воздействие фемтосекундного оптического излучения на мягкие и жесткие биоткани
- Создание новых, молекул, качественно новых кластерных образований и т.д. путём инициирования химических реакций фемтосекундными лазерными импульсами
|
наносекунды |
фемтосекунды |
| Технология изготовления микроотверстий в твердых материалах и биотканях |
