强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究

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1、航天器环境工程第27卷第1期32SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年2月强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究汤文辉，冉宪文，徐志宏，张若棋(国防科学技术大学理学院技术物理研究所，长沙410073)摘要：强激光烧蚀是一个复杂的物理化学过程，包括质量迁移、相变、运动边界等诸多复杂因素。如果靶为复合材料，烧蚀机理更加复杂，而且很难找到共性规律，这对数值计算方法提出了较高的要求。文章介绍了强激光烧蚀的理论基础、烧蚀模型以及对强激光烧蚀进行数值模拟的无网格方法(光滑粒子动力学方法，即SPH方法)。采用了SPH方法对典型靶的激光烧蚀

2、进行了数值模拟，并给出了单层铝靶和环氧树脂／铝双层靶在激光辐照下的烧蚀形貌与温度场。计算结果表明，在不同材料的交界面，烧蚀将沿径向发展。关键词：强激光；烧蚀；温度场；热应力；SPH方法；程序设计中图分类号：TN249；V258；0245文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)01—0032-03DOh10．3969，j．issn．1673—1379．2010．01．0051前言激光与物质相互作用是从入射激光被物质反射和吸收开始的。当激光束辐照到均匀且各向同性的靶物质时，部分能量被周围气体(或微粒)和靶表面所散射或反射，进入靶物质的部分被吸收，

3、其余部分则穿透靶物质而继续传播。真空环境中入射激光束的总能量(功率)是反射(散射)、吸收和折射(透射)三部分之和。从微观机理看，激光对物质的作用是高频电磁场对物质中自由电子或束缚电子的作用。激光与物质的相互作用一方面与激光的波长、强度、波形的时间结构(脉宽)密切相关，另一方面又与物质的成分、状态及其光学、热学和力学特性等因素密切相关。随着航天技术和强激光计算的迅速发展，强激光对航天器材料的破坏效应越来越受到人们的重视，因此需要开展深入研究。本文主要介绍了强激光烧蚀的基本理论和数值模拟方法，对单层铝靶和环氧树脂／铝双层靶在激光辐照下的烧蚀形貌与温度场进行了数

4、值模拟。2激光烧蚀的理论基础2．1热传导方程热传导方程是激光烧蚀的物理基础，其基本形式为p警+divv,7：o，(1)p五+2o，【1)式中：e=eo+I邰d丁为比内能；P为材料密度；虿为热流密度。Fourier定律给出热流密度与温度梯度成正比，而方向相反，即孑=一kgradT，(2)式中的比例常数k称作热导率，也叫导热系数，是材料的物理性能参数。(2)式给出的Fourier定律仅适用于各向同性材料。综合(1)式和(2)式可以给出各向同性材料的热传导方程为p面de+kdiv(鲫丁)=0。(3)应该注意，对于各向异性材料，导热系数k随方向而变。2．2激光的作

5、用模式对于大部分材料，它们的光学厚度很小，因此可以将激光光源作为热流边界引入到计算模型中去。激光的空间分布考虑均匀光斑和高斯光斑两种。激光的时间分布考虑激光强度随时间不变和随时间改变两种，每一种其中又分别考虑连续和重频两种情况。收稿Et期：2009．09．29：修回日期：2009．12．25作者简介：汤文辉(1964．)，男，博士学位，教授，博士生导师，主要从事脉冲辐照动力学、计算流体动力学、材料动态力学性能等方面的研究。E·mail：wenhuitang@163．com．汤丈辉等：强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究332．3边界条件法的核心是插值计算。在

6、烧蚀条件下，计算模型将涉及两类边界条件，即固体边界条件和移动边界条件⋯。根据传统的分类方法，l占1定边界条件也就是常用的第一、第二、第二边界条件；烧蚀条件下的移动边界条件涉及到两类，一个是烧蚀边界条件，另一个是相边界条件。2．4复合材料或聚合物化学分解的工程模型许多气动烧蚀实验表明，发生烧蚀状况的复合材料体积变化相对较小，冈此工程化模型可以／fi考虑材料体积和力学参数的变化。而在激光辐照下，复合材料的温度和密度将会发牛较为剧烈的变化，为了能够正确描述复合材料在激光辐照下的温度和密度的演化规律，必须在能量平衡和质量甲衡基础上建立工程模犁。经过一系列复杂推导，

7、复合材料的质量变化可以写成望：一!一OPs，(4)西Pp—Pcat式中：口为化学反应进度；t为时间；Ps表示烧蚀剩余吲体的密度；邝为未反应固体的密度；风为反应生成焦炭的密度。3数值方法与程序设计激光烧蚀是一个复杂的物理化学过程[1-3】，包括质量迁移、相变、运动边界等诸多复杂因素，这对数值计算方法捉f{j了较高的要求。从现有的文献来看，许多烧蚀计算程序均采用传统的网格方法，并需采用适体坐标(body—finedcoordinates)来描述烧蚀边界的运动演化过程【4】，这将使数值计算更为复杂。本文采用光滑粒子动力学(SmoothedParticleHydr

8、odynamics，SPH)方法进行计算。在光滑粒子流体动力学方法