激光与金属材料相互作用的热效应分析

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1、第31卷第1期2014年2月沈阳航空航天大学学报JournalofShenyangAerospaceUniversityV01．31No．1Fbb．2014文章编号：2095—1248(2014)01—0033—04激光与金属材料相互作用的热效应分析简欣，徐让书，邵长浩，李骏(沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院)，沈阳110136)摘要：激光与金属材料相互作用的热效应是激光束辐照材料后发生的主要物理现象之一。激光加热使材料温度急剧上升，很快达到材料的熔点。通过使用商业CFD软件FLUENT数值模拟激光辐照金

2、属材料的相互作用，并在一定的假设和边界条件下得到金属材料未熔化之前温度场沿径向和轴向分布情况、气流最高温度的变化和位置的转移、氧化反应和对流换热对热效应的影响。关键词：激光辐照；金属材料；温度场；数值模拟；热效应中图分类号：TN241文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．2095—1248．2014．01．008Thermaleffectanalysisoftheinteractionbetweenlaserandmetalmaterial3IANXin，XURang-shu，SHAOChang

3、—hao，LIJun(FacultyofAerospaceEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136)Abstract：ThethermaleffeCtoftheinteractionbetweenlaserandmetalmatedalisoneofthemostimportantphysicalphenomenawhenthelaserirradiatesmetalsurface．Thelaser—inducedheatingleadsto

4、thesharptem—peratureriseofmetalsurface，whichwillsoonreachmaterialmeltingpoint．ByusingthecommercialCFDsoftwareFLUENT，tllisPaperexaminestheinteractionsbetweenlaserandmetalmaterialsunderdifferentlightspotradiusandgetsmetalmaterialsdistributionoftemperaturefiel

5、dalongtheradialandaxialbeforemeltingundercertainassumptionsandboundaryconditionsandthemaximumtemperatureofflowandthelocation．andhowoxidationreactionandconvectionheattransferinfluencethermaleffectsiSalsoobserved．Keywords：laserirradiation；metalmaterials；tempe

6、raturefield；numericalsimulation；thermaleffect激光辐照金属材料是一个极其复杂的物理与化学变化过程，激光辐照下金属材料表面温度将会快速上升，很快达到材料的熔点。尹益辉等⋯总结了快速加热下金属力学性能温升率效应研究的有关工作和结果。袁永华等旧1分析了不同频率激光辐照涂层壳体材料的温升特性。赫秋龙等旧1考虑了材料的质量热容、热导率、驰豫时间等热力学参数随温度非线性变化因素的影响。他们都没有研究氧化反应对金属温升以及气流温度的影响。激光加载下金属材料的温度场以及相变过程取决

7、于壁面的加载条件，在有附面层气流切向吹过靶材表面时，气流流动引起的对流换热以及靶料和空气中氧气发生的氧化反应放出的热量将对靶材内部温度有影响。氧化反应的放热量由氧化反应热和氧化反应的程度所决定HJ。本课题主要研究在激光加载下，从激光加载时刻开始，金属靶材就会与表面气流中的氧气发生反应，而且有亚音速气流流过金属表面，对流换热、氧化放热和激光加载的能量综合作用在靶材上影响靶材的温度场和气流的温度。收稿日期：2013—09—11基金项目：激光与物质相互作用国家重点实验室开放基金课题(项目编号：SKLLIMl001—

8、02)作者简介：简欣(1988一)，男，陕西渭南人，硕士研究生，主要研究方向：流动数值仿真与实验技术，E—mail：1451501212@qq．com；徐让书(1962一)，男，浙江乐清人，教授，主要研究方向：航空发动机数值仿真研究，E-mail：xurangshu@yahoo．com。一程一蒜～一材一34沈阳航空航天大学学报第31卷1计算模型课题采用的计算模型如图1所示，试件材料为钢。在激光加载下