超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟

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1、Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:https://www.researchgate.net/publication/286985465NumericalsimulationoncouplingeffectoflaserirradiationinsupersonicflowArticleinQiangjiguangYuLizishu/HighPowerLaserandParticleBeams·September2014DOI

2、:10.11884/HPLPB201426.091010CITATIONSREADS2325authors,including:XIAOCUIWUYiweiWangChineseAcademyofSciencesChineseAcademyofSciences21PUBLICATIONS102CITATIONS52PUBLICATIONS225CITATIONSSEEPROFILESEEPROFILEChenguangHuangC.w.WuChineseAcademyofSciencesChineseAc

3、ademyofSciences149PUBLICATIONS598CITATIONS37PUBLICATIONS91CITATIONSSEEPROFILESEEPROFILESomeoftheauthorsofthispublicationarealsoworkingontheserelatedprojects:Thermo-structuralconceptsinaerospacesci&techViewprojectCavitatingflownearfreesurfaceViewprojectAll

4、contentfollowingthispagewasuploadedbyXIAOCUIWUon14January2016.Theuserhasrequestedenhancementofthedownloadedfile.第２６卷第９期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９２０１４年９月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＳｅｐ．，２０１４＊超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟吴小翠１，王一伟１，程欣欣２，黄晨光１，吴臣武２（１．中国科学院力学研究所，流固耦合系统力学重点实验室

5、，北京１００１９０；２．中国科学院力学研究所，先进制造工艺力学重点实验室，北京１００１９０）摘要：激光辐照结构物包含复杂的多物理场耦合问题，其存在流、热、固多种机制的耦合效应。结合计算流体力学（ＣＦＤ）和有限元方法，对超声速条件下的激光辐照平板问题进行了热流固耦合分析。采用ＣＦＤ方法得到平板附近流场分布，利用有限元方法计算平板的温度分布，并将二者结合起来实现流体和固体间的数据交互。理论分析确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角。对于不同马赫数，激光区域在６Ｍａ条件下存在温度的谷值，小于等于６Ｍａ

6、条件下主要体现为冷却效应，而６Ｍａ以上主要体现为气动加热效应。攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加，使冷却效应更加明显。最后综合分析了流场气动加热和冷却两种效应的产生机制。关键词：超声速；激光辐照；流热耦合；数值模拟；攻角中图分类号：ＴＮ２４６文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０９１０１０光辐照结构物是一种复杂的多物理场过程，特别当结构物在空中飞行时，流场、激光与结构之间会存在流、热、固等多种机制的耦合。激光导致的结构温度场以及应力场演化规律等问题得到了众多学者的广泛关注。

7、［１］袁红等采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况，分析了热性能参数［２］对温度场造成的影响；王伟平等实验研究了重复频率脉冲ＹＡＧ激光对旋转金属壳的加热效应，发现激光作［３］用下旋转金属壳的温升大大低于静止金属壳的温升。赵剑衡等用有限元方法数值模拟强激光辐照下柱壳上［４］温度场的变化和分布情况，并对热性能参数随温度变化对温度场造成的影响进行了研究。漆海滨等利用热传导理论分析了强激光对运动物体的加热问题，得出了物体表面温度、激光功率密度、光斑尺寸及光斑相对于物体运动速度之间的关

8、系。［５］［６］考虑到结构周围绕流的影响，张黎等采用动网格模型模拟气流对平板的“冲刷效应”。张健等在考虑激光与运动目标相互作用的基础上，利用有限元方法分析了亚声速条件下运动目标在激光辐照全过程的温度［７］场和热应力场的分布与演化规律。石卫波等采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳－碳复合材料分别在［８］气动热、激光单独作用以及气动热／激光耦合作用下的热化学烧蚀。张家雷等采用高能激光对复合材料的辐照效应进行了研究。为了预测激光辐照