Научная статья на тему 'Экспериментальное определение коэффициентов аккомодации нормального импульса для поверхностей из различных материалов'

Экспериментальное определение коэффициентов аккомодации нормального импульса для поверхностей из различных материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
309
51
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Ученые записки ЦАГИ
ВАК
Область наук

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Омелик А. И.

С помощью измерений коэффициентов сопротивления круглых пластинок из алюминия, молибдена, никеля, серебра и вольфрама в свободномолекулярном потоке азота и гелия с энергией 12 эВ определены коэффициенты аккомодации нормального импульса в широком диапазоне отношения массы набегающей молекулы к массе атома поверхности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное определение коэффициентов аккомодации нормального импульса для поверхностей из различных материалов»

У Ч Е МЫ Е 3 А ПИСКИЦАГИ Т о м IV 197 3

№ 4

УДК 533.6.011.8:322

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ АККОМОДАЦИИ НОРМАЛЬНОГО ИМПУЛЬСА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

А. И. Омелик

С помощью измерений коэффициентов сопротивления круглых пластинок из алюминия, молибдена, никеля, серебра и вольфрама в свободномолекулярном потоке азота и гелия с энергией 1—2 эВ определены коэффициенты аккомодации нормального импульса в широком диапазоне отношения массы набегающей молекулы к массе атома поверхности.

I. Передача импульса твердой стенке в свободномолекулярном потоке зависит от многих параметров. Сюда относятся скорость потока V, отношение масс молекул газа и стенки ;а, угол падения молекул, присутствие адсорбированных молекул на поверхности. При расчете коэффициентов сопротивления тел в свободномолекулярном потоке влияние Этих параметров учитывается с помощью коэффициентов аккомодации нормального а„ и тангенциального ат импульсов, величины которых определяются экспериментально. Для аэродинамических приложений наибольший интерес представляет диапазон 1—20 эВ, соответствующий скорости молекул азота 3 — 12 км/с. Целью настоящей статьи является измерение коэффициентов аккомодации нормального импульса ап при энергии набегающего потока 2 эВ (для азота) и 0,7 эВ (для гелия). В качестве мишеней используются пластины из аллюминия, молибдена, никеля, серебра и вольфрама.

2. Методика эксперимента заключается в следующем. Пусть известен коэффициент сопротивления сх пластинки, расположенной поперек свободномолекулярного потока, имеющего скорость V и скоростное отношение Я. Определим, следуя [1], коэффициент аккомодации ап как отношение

Р-Рп ...

ап-- р___ р > ()

где Р, Р„ — поток импульса в набегающем потоке и в отраженном потоке соответственно; Рт — поток импульса в отраженном потоке, если бы молекулы отражались с максвелловским распределением, соответствующим температуре стенки Тт. Определенная таким образом величина ал связана с коэффициентом сопротивления сх следующим образом [1]:

4(1 +1/5*)-с,

2 — р + 1/52

(2)

где р = (1/1») У 2пкТт1т; т — масса молекул набегающего газа; £ — постоянная Больцмана.

Таким образом, зная коэффициент сопротивления сх, температуру модели Тт, скоростное отношение 5 и скорость потока V, можно определить величину ап. Необходимо отметить, что, поскольку величины р и 1/53 обычно малы, основной вклад в значение ап вносит величина сх, которая и должна измеряться с максимальной точностью.

3. Для проведения экспериментов использовался молекулярный источник газодинамического типа с высокочастотным подогревом [2]. Основные параметры источника (фиг. 1): давление торможения р0 = 4,67-104 Я/м2 (350 мм рт. ст.), температура торможения 7’о = 5100К, диаметр критического отверстия й*=--1,2 мм, диаметр отверстия в скиммере йс = 17 мм, давление в рабочей камере рр,к — = 6,67-10—3 ///м2 (5*10~5 мм рт, ст.), число Кнудсена, отнесенное к диаметру модели, Кп = 80, скоростное отношение 5 = 6, расстояния х1 = 31 см, хс = 5 см-Отношение Кп/5 = 12 > 1, т. е. моделируются натурные условия [1]. Интенсивность потока в месте измерения / = 2-1017 1/см2-с.

Аэродинамическое сопротивление пластинки измерялось с помощью маятниковых весов крутильного типа с точностью +2%. Скоростной напор определялся на основании измерения силы аэродинамического сопротивления цилиндрической полости [2); точность определения скоростного напора +2%. Таким образом, точность определения коэффициента сопротивления пластинки составляет +4%; такова же и точность определения коэффициента аккомодации.

Результаты эксперимента представлены на фиг. 2. Кружками обозначены результаты, полученные после двухчасовой откачки модели, квадратиками — после десятичасовой откачки. Линия 1 соответствует теории [3], рассматривающей взаимодействие атомов в кристаллической решетке в линейном приближении; 2 — теории [4], учитывающей влияние соседних атомов; линия 3 представляет расчеты [5], выполненные с учетом шероховатости поверхности.

Сравнение результатов эксперимента с теориями, рассматривающими поверхность как грань кристаллической решетки, показывает существенное расхождение между ними. Это связано с тем, что структура реальных поверхностей, используемых как в лабораторных, так и в натурных условиях, весьма далека от идеальной кристаллической структуры. Действительно, даже упрощенный учет шероховатости поверхности [5] приводит к существенному ослаблению зависимости коэффициента аккомодации ап и (л.. Такой вывод подтверждается результатами экспериментов, в которых используются потоки тепловых энергий (см., например, монографию [6], стр. 107).

Кроме того, различие может быть связано с тем, что на поверхности модели хемосорбируются молекулы набегающего потока и остаточного газа. Например, на поверхности из вольфрама может хемосорбироваться азот, образуя соединение с энергией связи 3,7 эВ [7], соизмеримой с энергией набе-

гающего потока. Как показано в работе [8], в этом случае нельзя пренебрегать влиянием адсорбированного слоя.

Таким образом, полученные результаты, по-видимому, отражают шероховатость поверхности и наличие хемосорбированного слоя. Заметим в заключение, что этими же свойствами может обладать и поверхность космического аппарата в натурных условиях.

ЛИТЕРАТУРД

1. Коган М. Н. Динамика разреженного газа. М., .Наука*, 1967.

2. Баринов И. С., Ж е с т к о в Б. Е., Омелик А. И., Орлова 3. Т. Аэродинамическая установка со свободномолекулярным потоком и высокой температурой торможения. .Теплофизика высоких температур", т. II. № 3, 1973.

3. Michels W. С. Accomodation coefficients of the noble gases and the specific heat of tungsten. Phys. Rev., v. 52, 1067, 1937.

4. Ерофеев А. И. Об обмене энергией и импульсом между потоком газа и поверхностью твердого тела. ПМТФ, 1967, № 2.

5. 'Ерофеев А. И. О влиянии шероховатости на взаимодействие потока газа с поверхностью твердого тела. Изв. АН СССР, МЖГ, 1967, № 6.

6. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. М., ,Мир“, 1967.

7 Э р л и х Г. Атомная адсорбция. В сб. .Взаимодействие газов с поверхностями*, М., ,Мир“, 1965.

8. Л е о н а с В. Б. Об обмене энергией при столкновении частиц с твердой стенкой. ПМТФ, 1963, № 6. ;

Рукопись поступила 15/IX 1972,

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.