超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟-论文.pdf

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1、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，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

2、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６犕犪条件下存在温度的谷值，小于等于６犕犪条件下主要体现为冷却效应，而６犕犪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：Ａ犱狅犻：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

3、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。［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

4、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。为了预测激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应，提出了一个简化计算模型。陈［９］敏孙等实验研究了

5、样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时，９７６ｎｍ连续激光对玻璃纤维增强［１０］Ｅ５１环氧树脂复合材料的辐照效应。黄亿辉等建立了能够反映激光、流场和结构相互作用的热流固耦合数值计算方法，用于模拟超声速气流（马赫数１．２～４．０）作用下强激光辐照靶体结构的失效行为，分析了不同耦合策略对数值计算结果的影响，研究了激光功率密度及来流马赫数对屈服失效和熔融失效行为的影响。陈华［１１］等在现有光滑粒子流体动力学方法基础上，提出了结合差分方法处理激光辐照边界条件的方法，并利用此方法自编程序模拟计算了功率密度为５．０×１０９２的强连续激光辐照铝靶时的热－力学效应。Ｗ／ｃｍ综上所述

6、，目前工作对于热力耦合效应如温度、应力分布等给出了较为全面的结果，但对于流体的效应研究相对较少。文献［５］中认为流场在亚声速条件下主要是冷却效应，而文献［７］通过工程计算方法得出高超声速条件下气动加热影响很大。这反映了流场对激光辐照过程的影响具有非常复杂的规律，因而对于超声速以及高超声速流场，仍需要对流场的影响规律进行更为系统和细致的研究。本文结合计算流体力学和有限元方法，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，确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角，给出了超声速流场对于激光辐照效应的耦合作用规律。收稿日期：２０１３１１１５；修订日期：２０１４

7、０３２８基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（１１２０２２１５）；国家自然科学基金重点基金项目（１１３３２０１１）作者简介：吴小翠（１９８５—），女，博士研究生，从事计算流体力学研究；ｗｕｘｉａｏｃｕｉ＠ｉｍｅｃｈ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：王一伟（１９８３—），男，副研究员，从事计算流体力学研究；ｗａｎｇｙｗ＠ｉｍｅｃｈ．ａｃ．ｃｎ。０９１０１０１强激光与粒子束１数学模型１．１问题描述本文的主要目的是模拟超声速乃至高超声速条件下激光辐照、流动与结构传热的耦合效果。考虑到通常高速飞行器乘波体外形下表面