不同气流环境下激光辐照金属材料温升的数值模拟

《不同气流环境下激光辐照金属材料温升的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第２２卷第１１期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１１２０１０年１１月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＮｏｖ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）１１２５３１０４不同气流环境下激光辐照金属材料温升的数值模拟郑艳丽１，杜太焦１，束庆邦１，王建国１，２（１．西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，西安７１００２４；２．西安交通大学电信学院，西安７１００４９）摘要：研究了激光辐照金属材料过程中的氧化放热模型，采用有限元方法编制了计算程序，数值计算了激光辐照钢板在吹空气、

2、吹氮气以及不吹气条件下温升的时空分布，分析了氧化放热量的大小。数值计算结果表明：吹氮气和不吹气条件下，钢板背表面温升的差异不大；在吹空气条件下，氧化放热量约占钢板中沉积能量的３４．６％。数值计算结果与文献报道的实验结果符合得很好。关键词：高能激光；温升；气流；氧化；有限元法中图分类号：ＴＮ２４１文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１１．２５３１高能激光（ＨＥＬ）技术发展很快，因此，激光辐照效应是近年来非常令人关注的研究课题。ＨＥＬ在激光加工、材料改性、结构成型以及航空航天、船舶等领域应用十分广泛。

3、在激光辐照热力学效应研究方面，国内外均［１２］开展了大量的理论、数值模拟以及实验方面的工作。在理论和数值模拟方面，研究工作主要包括：材料的激［３４］［３，５９］［５］光加热，内充压柱壳的激光热力学效应及激光辐照内充压柱壳热力学相似性规律，激光辐照旋转柱［４，６８］壳的热力学效应等等。这些研究工作为人们认识强激光与材料相互作用以及柱壳结构的破坏规律提供了非常有用的信息，但这些研究没有考虑激光加热过程中材料氧化放热对激光破坏过程的影响。随着ＨＥＬ技术的快速发展，还需要进一步探讨高速飞行情况下，对流换热和氧化放热等对Ｈ

4、ＥＬ辐照效应的影响。本文研究了激光辐照金属靶材过程的氧化放热问题，建立了氧化放热模型，编制了有限元程序。通过数值模拟，给出激光辐照钢板在吹空气、吹氮气以及不吹气条件下温升的时空分布。１计算模型１．１理论计算模型图１是计算模型的示意图。激光辐照边长为犔的正方形钢板（图１（ａ）是激光辐照钢板的全图，图１（ｂ）是根据对称性取全图的１／４作为计算对象），钢板厚度为犱。对于高速飞行的物体，气流沿物体表面与飞行方向相反的方向流动，在本文中，为了比较氧化过程对激光加热的影响，共考虑了３种气流状况：不吹气、吹氮气和吹空气。钢板材料内瞬态

5、问题的热传导方程为Ｆｉｇ．１Ｍｏｄｅｌｆｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ图１计算模型示意图犜ρ犮＝·犽犜＋ρ犙（１）狋式中：犙为钢板材料的内热源密度（Ｗ·ｋｇ１）；为钢板材料的密度（ｋｇ·ｍ－３）；犮为钢板材料的定压比热容（Ｊρ·ｋｇ－１·Ｋ－１）；犽为钢板材料的导热系数（Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）；犜为钢板材料的温度（Ｋ）。式（１）的边界条件为狇（ｏｎｔｈｅｅｄｇｅｏｆΓ１）犽犜·狀＝（２）｛犺（犜ｆ－犜）（ｏｎｔｈｅｅｄｇｅｏｆΓ２）式中：狀是钢板边界外法线方向；狇是从钢板边界流入的热流密度（Ｗ·ｍ２）；犺是钢板周

6、围环境气体的对流换热系数（Ｗ·ｍ－２·Ｋ）－１）；犜是流经钢板边界的自由气流的初始温度（Ｋ）；Γ是热流边界，即钢板表面被激光ｆ１辐照的部分；Γ是对流换热边界，包括钢板被辐照表面和背表面，其中被辐照表面吹气流，而背表面则是自然２对流换热表面。收稿日期：２００９０５０４；修订日期：２０１００３０２基金项目：激光与物质相互作用国家重点实验室基金项目（ＳＫＬ１１０９０６）作者简介：郑艳丽（１９７８—），女，硕士，助理研究员，主要从事激光与物质相互作用研究工作；ｙａｎｌｉｈｕｈｕ＠１６３．ｃｏｍ。２５３２强激光与粒子束第

7、２２卷在金属板模型中，激光辐照能量和材料表面氧化放热都将被作为热流边界条件加入，即狇＝α犐＋犛（３）式中：α是材料对激光的吸收系数；犐是激光辐照的功率密度（Ｗ·ｍ２）；犛是氧化放热项（Ｗ·ｍ２）。１．２氧化模型１，负号表示氧氧化放热与氧化反应程度和氧化反应热有关。钢板氧化反应的焓变值为－８２２．２ｋＪ·ｍｏｌ化反应是放热过程。氧化放热带来的热流密度为犛＝犠ｃ狓０／狋（４）［１０］式中：犠是单位体积氧化放热；狓是氧化层厚度。在很短时间内（ｍｓ量级），氧化层厚度满足关系ｃ０狓０／狋＝（犇／狓）ｅｘｐ（－犜ｃ／犜

8、）（５）式中：犇和犜均是实验拟合参数；犜是气流流强的钢板表面温度。解此微分方程并采用量纲分析做近似，可ｃ以得到氧化放热带来的热流密度满足犛＝犙ｃ犝０ｅｘｐ（－犜ｃ／２犜）（６）式中：犙·ｃｍ２，是实验拟合参数；犝是气流速率。经过拟合，取犜。ｃ＝０．８ｋＷ０ｃ＝４０００Ｋ１．３有限元模型金属材料的温升过程为瞬态热传导