Физическое моделирование нагретой частицы в идеальном газе | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 1 мая, печатный экземпляр отправим 5 мая.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №19 (309) май 2020 г.

Дата публикации: 11.05.2020

Статья просмотрена: 14 раз

Библиографическое описание:

Ховенталь, П. А. Физическое моделирование нагретой частицы в идеальном газе / П. А. Ховенталь. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 19 (309). — С. 101-104. — URL: https://moluch.ru/archive/309/69813/ (дата обращения: 18.04.2021).



В статье приводится постановка задачи и основные особенности моделирования динамики нагретой частице в идеальном газе для одномерного и двумерного случаев. Рассматриваются результаты физико-математического моделирования и их графическое представление.

Ключевые слова: идеальный газ, пылевая плазма, аккомодация атома, физическое моделирование.

В последнее время наблюдается растущий интерес к исследованию пылевой плазмы. Пылевая плазма имеет ряд применений в промышленности. Одной из важных свойств пылевой плазмы является лазерный индуцируемый фазовый переход в монослое полимерных частиц, левитирующих в газоразрядной плазме [1, 2], который объясняется рядом гипотез, в том числе влиянием фотофоретической силы на полимерные частицы.

Предполагается, что фотофоретическая сила возникает из-за модификации поверхности полимерной частицы под действием лазерного излучения. Для проверки этой гипотезы необходимо создать модель, описывающую динамику янус-частицы. Предполагается создание модели янус-частицы, имеющей две поверхности с различными свойствами, причем площади этих поверхностей должны быть равны. Создание такой модели проводится в несколько этапов, из которых автором уже реализовано два. На первом этапе была разработана одномерная модель динамики нагретой частицы в идеальном газе, на втором — двумерная модель рассматриваемой частицы. Базовые принципы динамики частицы в идеальном газе рассмотрены в [3]. В авторской модели, наряду с классическим упругим взаимодействием частицы с атомом, рассматривается взаимодействие с аккомодацией атома на поверхности частицы и последующим отрывом при выполнении ЗСИ.

Частица в одномерном и двумерном случаях рассматривалась в нескольких вариантах локализации:

– бесконечно узкая и глубокая потенциальная яма;

– разрешенная область с зеркальным отражением частицы от границы этой области;

– сила, пропорциональная отклонению частицы от центра расчетной области.

При создании совокупности моделей рассматривалось упругое взаимодействие или взаимодействие с аккомодацией и последующим отрывом атома от поверхности частицы. Размер расчетной области был выбран меньше длины свободного пробега атомов, для того чтобы не учитывать межатомное взаимодействие. В случае упругого взаимодействия частицы с атомом выполняется ЗСИ и ЗСЭ. Для расчета новых скоростей частицы и атома использовались следующие формулы:

(1)

,

(2)

где V и V’- скорости частицы до и после столкновения, соответственно, v и v’ — скорости атома до и после столкновения, m — масса атома, M — масса частицы.

В случае аккомодации атома на поверхности частицы с последующим отрывом, выполняется только ЗСИ. Скорость атома при отрыве от частицы определяется согласно распределению максвелла для температуры поверхности частицы. Скорости частицы после аккомодации атома определяется по формуле:

,

(3)

где m — масса атома, M — масса частицы, V и v — скорость частицы и атома до аккомодации атома, V’- скорость частицы после аккомодации атома на поверхности частицы.

Скорость атома и частицы после отрыва определяется по формулам:

(4)

,

(5)

где - скорость атома при отрыве от частицы в системе отсчета частицы, разыгрывается с помощью распределения Максвелла для температуры поверхности частицы.

В двумерном варианте необходимо учитывать нецентральные столкновения частицы с атомом. Схема такого столкновения представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема столкновения атома и частицы

Экспликация: (x, y) — начальные оси координат; (, n) — нормальная и тангенциальные оси(относительно атома); , - тангенциальная и нормальная компонента скорости атома; - скорость атома; -скорость частицы; - угол между координатными осями (x, y) и (, n)

При таком столкновении необходимо перейти к тангенциальной и нормальной оси, для этого достаточно повернуть ось на угол . При столкновении меняется только нормальная компонента скоростей атома и частицы по формулам (1–2) или (3–5) в зависимости от выбранного взаимодействия.

Для проведения расчетов в рамках рассматриваемых моделей, был разработан комплекс программ в пакете MATLAB. Для определения момента времени, когда началось стационарное состояние, использовался график зависимости соотношения температуры частицы от времени к температуре атомов. Средняя кинетическая энергия частицы от времени определялась через среднюю кинетическую энергию частицы :

(6)

График соотношения температур частицы от температуры атомов представлен на рис.2.

Рис. 2. График зависимости соотношения температуры газа и температуры частицы от времени

Особенностью модели с локализацией в бесконечно узкой и глубокой яме является отсутствие заметания частицей атомов газа, поэтому температура частицы оказалась вдвое меньшей по сравнению с другими вариантами локализацией.

На основе расчетов был проведен анализ зависимости соотношения отношения энергий частицы и атомов для разного соотношения температур поверхности частицы и окружающего газа; пример этой зависимости для одномерного и двумерного случаев, представлен на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость соотношения энергии частицы в энергии атомов от соотношения температур поверхности частицы к температуре атома

Результаты проведенного физико-математического моделирования: в процессе исследования было установлено, что рост энергии частицы уменьшается при увеличении соотношения для одномерного и двумерного случаев. Диапазон соотношений , рассмотренный в процессе численного исследования, соответствует используемому диапазону в рамках технически

В дальнейшем планируется исследовать поведение двумерной частицы с учетом ее вращения, а также исследовать частицу с несколькими различными поверхностями.

Литература:

  1. Kononova E. A., Vasilieva M. M., Petrova O. F. Laser-Induced Phase Transition in a Monolayer of Polymer Particles Levitating in a Low-Pressure Gas-Discharge Plasma / / Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2018, Vol. 126, No. 5, pp. 600–603.
  2. Petrov O. F., Vasiliev M. M., Vaulina O. S. et al., Solid-hexatic-liquid transition in a twodimensional system of charged dust particles, EPL, Vol.111, I.4, р. 45002, 2015
  3. Boris A.Yu., Galkin V. S. Kinetic description of Brownian movement of heated particles in rarefied gas// Fluid Dynamics volume 21, pages302–306(1986)
Основные термины (генерируются автоматически): аккомодация атома, скорость атома, скорость частицы, двумерный случай, идеальный газ, поверхность частицы, пылевая плазма, частица, последующий отрыв, расчетная область.


Ключевые слова

идеальный газ, пылевая плазма, аккомодация атома, физическое моделирование

Похожие статьи

Математическое описание движения частиц твёрдого тела и газа...

Форму частицы считаем шарообразной, плотность частицы -больше плотности воздуха и с числом

где u2 -искомая скорость движения частиц; скорость патока ветра; - время.

поверхностная волна Рэлея, цилиндрический слой, расчетная область, внешняя нагрузка...

Оценка возможности испарения микрокапли в плазме вакуумного...

Модель взаимодействия частиц с заряженными частицами в пылевой пылевой плазмы справедлива при допущении, что

Определение плазмы. Плазма — это ионизованный газ, состоящий из большого числа. Электрический ток складывается из токов электронов и...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Плазма — это ионизованный газ, состоящий из большого числа положительных и отрицательно заряженных частиц, иногда из нейтральных атомов и молекул. Именно наличие в плазме большого числа заряженных частиц обуславливает ее характерные свойства, позволяющие...

Моделирование газа в физическом симуляторе | Статья в журнале...

В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, могут иметь более сложную форму (являться системой связанных

Симулятор позволяет создавать только двумерные модели, поэтому моделируемый нами газ будет плоским. В этом случае стенками...

Оценка степени опасности мелкодисперсных частиц...

Статья посвящена анализу проблемы мелкодисперсных частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии, которые в комбинации с другими загрязнителями представляют угрозу для здоровья человека.

Излучение атома и плазмы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Применение излучения атомов и молекул в области построения спектров излучения и анализ с

В статье рассматривается излучение атома и на его основе рассматривается излучение

Так как все заряженные частицы в плазме двигаются по нелинейным траекториям, они...

Рентгеновские спектры многозарядных ионов...

Излучение атома и плазмы | Статья в журнале «Молодой ученый». Фактически все спектры излучения атома располагаются в видимых и ультрафиолетовых областях, длина волны которых достигает от 200 до 1190 нм. − тормозное излучение свободного электрона в поле иона.

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

С развитием лазерной физики, физической электроники, ядерной и радиационной физики, с применением многозарядных ионов и ядер большой интерес представляют исследования формирования ядер с поверхности твердого тела под действием излучения лазера.

Развитие фрактальных моделей агрегации коллоидных частиц

Развитие фрактальных моделей агрегации коллоидных частиц. Зырянов Роман Сергеевичмагистрант. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина).

Похожие статьи

Математическое описание движения частиц твёрдого тела и газа...

Форму частицы считаем шарообразной, плотность частицы -больше плотности воздуха и с числом

где u2 -искомая скорость движения частиц; скорость патока ветра; - время.

поверхностная волна Рэлея, цилиндрический слой, расчетная область, внешняя нагрузка...

Оценка возможности испарения микрокапли в плазме вакуумного...

Модель взаимодействия частиц с заряженными частицами в пылевой пылевой плазмы справедлива при допущении, что

Определение плазмы. Плазма — это ионизованный газ, состоящий из большого числа. Электрический ток складывается из токов электронов и...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Плазма — это ионизованный газ, состоящий из большого числа положительных и отрицательно заряженных частиц, иногда из нейтральных атомов и молекул. Именно наличие в плазме большого числа заряженных частиц обуславливает ее характерные свойства, позволяющие...

Моделирование газа в физическом симуляторе | Статья в журнале...

В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, могут иметь более сложную форму (являться системой связанных

Симулятор позволяет создавать только двумерные модели, поэтому моделируемый нами газ будет плоским. В этом случае стенками...

Оценка степени опасности мелкодисперсных частиц...

Статья посвящена анализу проблемы мелкодисперсных частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии, которые в комбинации с другими загрязнителями представляют угрозу для здоровья человека.

Излучение атома и плазмы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Применение излучения атомов и молекул в области построения спектров излучения и анализ с

В статье рассматривается излучение атома и на его основе рассматривается излучение

Так как все заряженные частицы в плазме двигаются по нелинейным траекториям, они...

Рентгеновские спектры многозарядных ионов...

Излучение атома и плазмы | Статья в журнале «Молодой ученый». Фактически все спектры излучения атома располагаются в видимых и ультрафиолетовых областях, длина волны которых достигает от 200 до 1190 нм. − тормозное излучение свободного электрона в поле иона.

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

С развитием лазерной физики, физической электроники, ядерной и радиационной физики, с применением многозарядных ионов и ядер большой интерес представляют исследования формирования ядер с поверхности твердого тела под действием излучения лазера.

Развитие фрактальных моделей агрегации коллоидных частиц

Развитие фрактальных моделей агрегации коллоидных частиц. Зырянов Роман Сергеевичмагистрант. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина).

Задать вопрос