Линейная динамика акустической неустойчивости в неравновесном газе: границы устойчивости и области запрещенных частот
Автор: Храпов С.С.
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Физика и астрономия
Статья в выпуске: 4 т.27, 2024 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрена динамика малых возмущений в неравновесном колебательно-возбужденном газе. Получены волновое и дисперсионное уравнения, описывающие динамику акустических мод в линейном приближении. Сформулированы критерии для выделения физически корректных решений дисперсионного уравнения и определения границ областей запрещенных частот акустических волн. Эти критерии позволяют исключить из рассмотрения области нефизичных («фантомных») решений, в которых фазовая скорость звука может становиться аномально высокой и на определенных частотах обращаться в бесконечность. Подробно изучены дисперсионные свойства неустойчивых звуковых, получены оценки инкремента и определены границы устойчивости и зоны запрещенных частот в зависимости от степени неравновесности среды, моделей релаксации, нагрева и охлаждения. Показано, что при определенных значениях степени неравновесности среды и зависимости времени релаксации и функции охлаждения от температуры и плотности звуковые волны в колебательно-возбужденном газе оказываются неустойчивыми. При этом акустический инкремент достигает максимума, когда период звуковых волн τ𝑠 сопоставим со временем релаксации τ, а в высокочастотной области спектра τ𝑠 ≲ τ за счет вязкости и теплопроводности происходит стабилизация акустической неустойчивости.
Неравновесный газ, колебательная релаксация, время релаксации, акустическая неустойчивость, скорость звука, запрещенные частоты, нагрев и охлаждение
Короткий адрес: https://sciup.org/149147562
IDR: 149147562 | УДК: 534.2, | DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2024.4.6
Linear dynamics of acoustic instability in a non-equilibrium gas: stability boundaries and forbidden frequency regions
The dynamics of small disturbances in a nonequilibrium vibrationally excited gas is considered. The wave and dispersion equations are obtained, describing the dynamics of acoustic modes in the linear approximation. The criteria for identifying physically correct solutions of the dispersion equation and determining the boundaries of the regions of forbidden frequencies of acoustic waves are formulated. These criteria allow us to exclude from consideration the regions of non-physical (“phantom”) solutions, in which the phase velocity of sound can become abnormally high and at certain frequencies turn to infinity. The dispersion properties of unstable sound waves are studied in detail, estimates of the increment are obtained, and the stability boundaries and zones of forbidden frequencies are determined depending on the degree of nonequilibrium of the medium, models of relaxation, heating and cooling. It is shown that at certain values of the degree of nonequilibrium of the medium and the dependence of the relaxation time and the cooling function on temperature and density, sound waves in a vibrationally excited gas are unstable. In this case, the acoustic incrementreaches its maximum when the period of sound waves τ𝑠 is comparable with the relaxation time τ, and in the high-frequency region of the spectrum τ𝑠 ≲ τ, due to viscosity and thermal conductivity, stabilization of acoustic instability occurs.
Список литературы Линейная динамика акустической неустойчивости в неравновесном газе: границы устойчивости и области запрещенных частот
- Динамика малых возмущений в неравновесном колебательно-возбужденном газе / С. С. Храпов, Г. С. Иванченко, В. П. Радченко, И. С. Маковеев // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2023. — Т. 26, № 4. — C. 83-105. — DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2023.4.7
- Каталог моделей физико-химических процессов 2. Процессы колебательного энергообмена / Э. А. Ковач, С. А. Лосев, А. Л. Сергиевская, Н. А. Храпак // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. — 2010. — Т. 10. — Article ID: http://chemphys.edu.ru/issues/2010-10/articles/332.
- Колебательная релаксация в газах и молекулярные лазеры / Б. Ф. Гордиец, А. И. Осипов, Е. В. Ступоченко, Л. А. Шелепин // Успехи физических наук. — 1972. — Т. 108. — C. 655-699. — DOI: 10.3367/UFNr.0108.197212c.0655
- Косарева, А. А. Диссоциация и колебательная релаксация в пространственно однородной смеси CO2 /CO/O / А. А. Косарева, Е. А. Нагнибеда // Вестник СПбГУ, Сер. 1. — 2016. — Т. 61, № 3. — C. 468-480.
- Ландау, Л. Д. Собрание трудов / Л. Д. Ландау, Е. Теллер. — М.: Наука, 1969. — 181 c.
- Макарян, В. Г. Структура слабых ударных волн в стационарно неравновесной среде / В. Г. Макарян, Н. Е. Молевич // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. — 2005. — Т. 3. — Article ID: http://chemphys.edu.ru/issues/2005-3/articles/84.
- Молевич, Н. Е. Автоволновой импульс в среде с дисбалансом между тепловыделением и теплоотводом при произвольной величине тепловой дисперсии / Н. Е. Молевич, Д. С. Рящиков // Письма в Журнал технической физики. — 2020. — Т. 46, № 7. — C. 637-640.
- Молевич, Н. Е. Вторая вязкость в термодинамически неравновесных средах / Н. Е. Молевич, А. Н. Ораевский // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1988. — Т. 94, № 3. — C. 128-132.
- Молевич, Н. Е. Дисперсия скорости звука и вторая вязкость в средах с неравновесными химическими реакциями / Н. Е. Молевич // Акустический журнал. — 2003. — Т. 49, № 2. — C. 229-232.
- Осипов, А. И. Кинетические и газодинамические процессы в неравновесной молекулярной физике / А. И. Осипов, А. В. Уваров // Успехи физических наук. — 1992. — Т. 162, № 11. — C. 1-42.
- Храпов, С. С. Газодинамические неустойчивости в неравновесной химически активной среде / С. С. Храпов // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2024. — Т. 27, № 1. — C. 26-44. — DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2024.1.2
- Храпов, С. С. Нелинейная динамика акустической неустойчивости в колебательно-возбужденном газе: влияние нагрева и охлаждения / С. С. Храпов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. — 2023. — Т. 24, № 6. — Article ID: http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-6/articles/1059/.
- Храпов, С. С. Численное моделирование ударных волн в неравновесном химически активном газе / С. С. Храпов // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2024. — Т. 27, № 1. — C. 86-96. — DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2024.1.6
- Численное моделирование акустической неустойчивости в неравновесном колебательно-возбужденном газе / С. С. Храпов, Г. С. Иванченко, В. П. Радченко, А. В. Титов // Журнал технической физики. — 2023. — Т. 93, № 12. — C. 1727-1731.
- Шапиро, С. А. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Ч. 2 / С. А. Шапиро, С. А. Тьюколски. — М.: Мир, 1985. — 400 c.
- Разработка и апробация методики численного моделирования термически неравновесных диссоциирующих течений в ANSYS Fluent / Г. В. Шоев, Е. А. Бондарь, Г. П. Облапенко, Е. В. Кустова // Теплофизика и аэромеханика. — 2016. — Т. 23, № 2. — C. 159-171.
- Kogan, E. Y. Sound waves in a nonequilibrium molecular gas / E. Y. Kogan, N. E. Molevich // Soviet Physics Journal. — 1986. — Vol. 29. — P. 547-551.
- Lensky, N. G. Expansion dynamics of volatile-supersaturated liquids and bulk viscosity of bubbly magmas / N. G. Lensky, V. Lyakhovsky, O. Navon // Journal of Fluid Mechanics. — 2002. — Vol. 460. — P. 39-56.
- Makaryan, V. G. Stationary Shock Waves in Nonequilibrium Media / V. G. Makaryan, N. E. Molevich // Plasma Sources Science and Technology. — 2007. — Vol. 16, № 1. — P. 124-131.
- Millikan, R. C. Systematics of Vibrational Relaxation / R. C. Millikan, D. R. White // Journal of Chemical Physics. — 1963. — Т. 39, вып. 12. — C. 3209-3213. — DOI: https://doi.org/10.1063/U734182
- Overstability of Acoustic Waves in Heat-Releasing Gaseous Media / D. I. Zavershinskiy, N. E. Molevich, S. Belov, D. Riashchikov // AIP Conference Proceedings. — 2020. — Vol. 2304, № 1. — Article ID: 020028. — DOI: 10.1063/5.0034849