激光辐照下金属板相变及氧化反应流固热耦合计算

来源 :沈阳航空航天大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:ytx45
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通过使用计算流体力学方法,本文对激光辐照下金属板的温度场以及亚音速气流附面层进行了研究,主要分析了靶材与外界气流的氧化反应以及对流换热对靶材内部温度分布的影响。激光作用一定时间后,靶材将会熔化出现金属熔池,在近壁气流的作用下会形成气-液两相流流动,对激光壁面加载产生较大的影响。气流的速度分别为0、20、40和60m/s。数值模拟结果表明:靶材相变前,辐照表面在最开始的0.2s内的温升速率大约为5000K/s,背面中心处温度约在0.6s时开始上升;气流速度越大,对流换热量和氧化放热量越大;在辐照中心点温度均为1800K时,空气流速60m/s的靶材内部平均温升最大,氮气速度60m/s所需的激光加载时间最长;气流的最高温度随速度的增加而减小,最高温度出现的位置也更靠近激光加载的最右端;在相同的气流速度下,氧化反应的放热量大于对流换热带走的热量,所以吹氮气比吹空气所需的激光加载时间要长。靶材相变之后,温度会有一个平台期,气流速度越大,该平台期持续时间越长,辐照中心点温度波动越大。随着激光辐照时间的变大,金属熔池的深度与宽度都逐渐变大;没有气流时,熔池呈对称发展;存在气流时,在气流流动上游,熔池在靶材厚度方向更深,在气流流动下游,熔池沿气流流动方向更宽。熔池较浅时,气流会将熔池内的金属溶液吹出,有利于激光加载;但当熔池较深后,气流只能带走部分金属溶液,剩余部分会在熔池内形成流动,这对激光加载是不利的。随着气流速度变大,氧化反应放出的热量对靶材的影响逐渐地小于对流换热量,原因是气流能够直接将金属溶液吹出计算域。在整个模拟计算中,金属溶液未汽化,靶材未被击穿。
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