Том 39, номер 05, статья № 3

Аннотация:

Оптическое излучение, распространяющееся в атмосфере, частично поглощается воздушной средой, что приводит к ее нагреву, а сам пучок оптического излучения выступает в роли линейного протяженного теплового источника. Возникающие при этом конвективные явления вносят свой вклад в атмосферную турбулентность. В помещениях такая конвективная турбулентность имеет особенности, связанные с пространственной ограниченностью и наличием других тепловых источников. В настоящей работе представлены результаты исследования конвективных движений воздуха в окрестности группы линейных протяженных оптических источников в горизонтальной конфигурации расположения незамкнутого помещения при внешнем ветровом воздействии. Исследования выполнены путем численного решения трехмерных уравнений Навье–Стокса. Для параллелизации вычислений применялся вычислительный кластер с программным интерфейсом MPI. Описаны возникающие вдоль наклонных оптических пучков конвективные ячейки и соответствующие поля скоростей и температуры воздушной среды. Установлено, что форма и расположение ячеек определяются углом наклона оптической оси пучков и конфигурацией помещения. Продемонстрирована эволюция полей температуры и скоростей. Построены пространственные спектры флуктуаций температуры по различным направлениям, включая окрестности оптических трасс. Описаны причины и представлены оценки взаимного влияния пучков в части изменений структурной характеристики флуктуаций показателя преломления воздуха в окрестности трасс. Исследовано влияние внешнего ветра на тепловые следы пучков внутри и вне помещения. Установлено, что к моменту завершения численного эксперимента в помещении формируется распределение температуры, соответствующее турбулентности с колмогоровским спектром. Рассмотренные ситуации могут наблюдаться в помещениях оптических систем при нагреве воздуха пучками оптического излучения различной интенсивности. Возникающие поля турбулентности конвективной и динамической природы существенно влияют на работу регистрирующих устройств. Полученные результаты важны для прогноза правильной работы таких устройств и оценки взаимного влияния пучков.

Ключевые слова:

конвекция, наклонные оптические пучки, тепловой след

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Whinnery J., Miller D., Dabby F. Thermal conveсtion and spherical aberration distortion of laser beams in low-loss liquids // IEEE J. Quantum Electron. 1967. V. 3, N 9. P. 382–383.
2. Воробьев В.В. Влияние нагрева турбулентной атмосферы световым пучком на флуктуации его интенсивности // Квант. электрон. 1972. № 7. С. 5–13.
3. Петрищев В.А., Шеронова Н.М., Яшин В.Е. Экспериментальное изучение теплового самовоздействия в газе в присутствии конвекции // Изв. вузов. Радиофиз. 1975. Т. 18, № 7. C. 963–974.
4. Smith D.C. High-power laser propagation: Thermal blooming // IEEE Proc. 1977. V. 65, N 12. P. 1679–1714.
5. Konyaev P.A., Lukin V.P. Thermal distortions of focused laser beams in the atmosphere // Appl. Opt. 1985. V. 24, N 3. P. 415–421. DOI: 10.1364/AO.24.000415.
6. Лукин В.П. Атмосферная адаптивная оптика. Новосибирск: Наука, 1986. 248 с.
7. Воробьев В.В. Тепловое самовоздействие лазерного излучения в атмосфере. М.: Наука, 1987. 200 с.
8. Лукин В.П., Фортес Б.В. Искажения фазы оптического пучка при его самовоздействии в условиях гравитационной конвекции // Оптика атмосф. и океана. 1990. Т. 3, № 12. С. 1307–1311.
9. Кучеров А.Н., Макашев Н.К., Устинов Е.В. Распространение оптического пучка переменного радиуса в условиях гравитационной конвекции и обдува // Оптика атмосф. и океана. 1993. Т. 6, № 12. С. 1536–1542.
10. Кучеров А.Н. Распространение вертикального лазерного пучка в гравитационно-конвективном потоке поглощающей среды // Оптика атмосф. и океана. 1996. Т. 9, № 8. С. 1110–1119.
11. Depierreux S., Labaune C., Michel D.T., Stenz C., Nicolaï P., Grech M., Riazuelo G., Weber S., Riconda C., Tikhonchuk V.T., Loiseau P., Borisenko N.G., Nazarov W., Hüller S., Pesme D., Casanova M., Limpouch J., Meyer C., Di-Nicola P., Wrobel R., Alozy E., Romary P., Thiell G., Soullié G., Reverdin C., Villette B. Laser smoothing and imprint reduction with a foam layer in the multikilojoule regime // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102, N 19. P. 195005. DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.195005
12. Jones O.S., Kemp G.E., Langer S.H., Winjum B.J., Berger R.L., Oakdale J.S., Belyaev M.A., Biener J., Biener M.M., Mariscal D.A., Milovich J.L., Stadermann M., Sterne P.A., Wilks S.C. Experimental and calculational investigation of laser-heated additive manufactured foams // Phys. Plasm. 2021. V. 28, N 2. P. 022709. DOI: 10.1063/5.0032023.
13. Гончарский А.В., Попов В.В., Степанов В.В. Введение в компьютерную оптику. М.: Изд-во МГУ, 1991. 312 c.
14. Волков М.В., Гаранин С.Г., Козлова Т.И., Коновальцов М.И., Копалкин А.В., Лебедев Р.С., Стариков Ф.А., Течко О.Л., Тютин С.В., Хохлов С.В., Цыкин В.С. Фазировка излучения 7-канального оптоволоконного лазера с динамическими турбулентными искажениями фазы с использованием стохастического параллельного градиентного алгоритма при ширине полосы 450 кГц // Квант. электрон. 2020. Т. 50, № 7. C. 694–699. DOI: 10.1070/QEL17193.
15. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Т. 1. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 696 с.
16. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Т. 2. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. 742 с.
17. Обухов А.М. Атмосферная турбулентность // Турбулентность и динамика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. С. 173–183.
18. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 393 с.
19. Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. Н.: Наука, 1981. 246 с.
20. Гурвич А.С., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1976. 277 с.
21. Зуев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. Атмосферная оптика. Т. 5. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 271 с.
22. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.
23. Popinet S. Gerris: A tree-based adaptive solver for the incompressible Euler equations in complex geometries // J. Comput. Phys. 2003. V. 190, N 2. P. 572–600. DOI: 10.1016/S0021-9991(03)00298-5.
24. Носов В.В., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Структура турбулентности над нагретыми поверхностями. Численные решения // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 23–30. DOI: 10.15372/AOO20160103; Nosov V.V., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Turbulence structure over heated surfaces: Numerical solutions // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 3. P. 234–243.
25. Петрищев В.А., Пискунова Л.В., Таланов В.И., Эрм Р.Э. Численное моделирование теплового самовоздействия в присутствии индуцированной конвекции // Изв. вузов. Радиофиз. 1981. Т. 24, № 2. C. 161–171.
26. Cooley J.W., Tukey J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series // Math. Comput. 1965. V. 19. P. 297–301.
27. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
28. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Астроклимат специализированных помещений Большого солнечного вакуумного телескопа. Ч. 1 // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 11. С. 1013–1021.
29. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. 1941. Т. 30, № 4. С. 299–303.
30. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Изв. АН СССР. Сер. географ. и геофиз. 1941. Т. 5, № 4–5. С. 453–466.