Б.В. Егоров
доцент
Московский физико-технический институт
Агрегаты молекул и атомов, содержащие от двух до нескольких сотен атомов, называемые кластерами, образуются в начальной стадии конденсации – предконденсации и являются первичными ядрами нуклеации. К столь малым молекулярным образованиям неприменимы обычные макроскопические понятия, такие как коэффициент поверхностного натяжения. Свойства таких систем рассчитываются на ЭВМ методами нормальных колебаний, молекулярной динамики и Монте-Карло.
Газ при движении через сопло аэродинамической установки охлаждается и превращается в пересыщенный пар, внутри которого могут зарождаться кластеры. Как правило, размеры кластеров, а также плотность их потока растет с ростом давления и уменьшением температуры в форкамере.
Присутствие кластеров в потоке может проявляться различным образом:
- искажением оптических характеристик потока,
- изменением аэродинамических параметров исследуемых моделей (силовых и моментных),
- изменением релаксационных свойств рабочего газа, как правило, значительным ускорением установления термодинамического равновесия между поступательными и внутренними степенями свободы,
- ускорением начала конденсации при взаимодействии потока с аэродинамическими телами,
- изменением тепловых потоков к аэродинамическим телам,
- изменением состава первичного рабочего тела и появлением заряженных частиц в первично нейтральном газе.
Следует отметить также эффект ускорения химических реакций образования аэрозолей за счет кластерных каналов реакций. Так, например, кластерный канал является определяющим при образовании аэрозолей на основе серной кислоты в продуктах сгорания авиационных топлив в выхлопных струях двигателей ЛА.
Особо следует отметить роль кластеров при электризации летательных аппаратов. Внешняя электризация ЛА приводит к эмиссии ионов в вихревую пелену и в дальнейшем к гидратации ионов. Гидраты ионов оказываются первичными ядрами целой серии аэрозолей, которые могут оказывать значительное влияние на состояние как тропосферы, так и стратосферы, приводя к нежелательным изменениям климата Земли.
