随着强激光技术的发展,气流条件下激光辐照材料的损伤效应,由于其在军事和工业中的应用背景,受到了广泛的关注。与地面静态大气中开展的大量激光辐照金属效应研究相比,切向气流与激光共同作用会产生协同效应,使效应机理变得尤为复杂。气流条件下激光辐照金属材料的主要效应包括表面氧化导致激光耦合增强、氧化反应放热、强制对流换热和熔化产物冲刷四个方面。研究这些效应的机理,建立气流与激光联合加载下高仿真度的温度场计算模型,具有重要的学术意义和工程应用价值。本文针对航空领域常用的合金钢开展亚音速切向气流与激光联合加载效应研究,主要内容包括以下几个方面:1.通过理论和实验研究,阐明了激光辐照过程中耦合率增加的效应机理。在FeO-Fe3O4-Fe2O3三层氧化物膜中,中间吸收型Fe3O4膜是反射率变化的主要影响因素,最外层Fe2O3膜引起的干涉效应影响反射率的稳定值,最内层FeO膜对反射率变化的贡献可以忽略。随金属基底温度升高,Fe2O3、Fe3O4和Fe O氧化物膜依次出现。建立了基于多层氧化膜生长模型、吸收基底表面多层吸收膜模型和热传导方程的反射率变化动力学模型,解决时变耦合率表征难题。建立了考虑气流传质和反应速率方程的氧化反应放热模型,解决温度场计算中热源项的准确表征问题。2.通过实验和数值模拟方法研究不同几何参数熔坑对强制对流换热的影响。研究结果表明激光烧蚀产生的熔坑导致气流边界层分离,在熔坑内部形成涡旋,改变传热特性。熔坑上游对流换热能力下降,下游换热能力增强,是影响温度场演化的主要原因之一。与平板对流换热情况相比,熔坑增强了气流的总换热能力,在50m/s气流速度下换热能力增强15%,并随气流速度增大而增强。通过研究发现不同几何参数下熔坑内涡旋速度场分布有相似性,提出分段线性函数拟合熔坑内部对流换热系数的方法,解决了移动边界对流换热系数的准确表征问题。3.通过熔坑内水与切向气流相互作用的实验研究,阐明了气流对熔化物的冲刷机理。表面切向气流作用下熔坑内液体移除分两种模式:初期流场无涡旋,气液界面产生界面波,液体以浪涌形式移出熔坑区;随液位下降气液界面凹陷导致涡旋产生,此时液体以卷吸、破碎、飞溅形式移出熔坑区。基于自由表面流动模型研究了气流速度和液体密度对相互作用过程的影响,建立了冲刷机理的唯象模型。4.设计并建立了亚音速气流条件下的激光辐照效应实验研究系统,开展高亚音速切向气流条件下激光辐照合金钢的综合效应实验研究。建立以广义能量耦合系数表征的定标关系式。以广义能量耦合系数为判据对各效应的影响进行分析,结果表明:对13mm钢板,外部气流引起的强制对流换热效应使广义能量耦合系数降低28%,冲刷效应使广义能量耦合系数增加22%,氧化效应使广义能量耦合系数平均提高~7%。无气流时有漆平板广义能量耦合系数比无漆板高14%,在0.8Ma气流条件下有漆平板广义能量耦合系数比无漆板高34%。5、以上述效应研究结果为基础,建立了综合温度场计算模型。以热传导方程为控制方程,采用边界条件方式实现表面氧化导致激光耦合增强、氧化反应放热、移动边界下强制对流换热和气动冲刷四种效应的模拟,模拟结果与实验结果符合较好。通过理论、数值模拟与实验研究,全面系统地阐述了亚音速气流条件下激光辐照合金钢的效应及其机理,建立的综合温度场计算模型能够给出不同速度气流与不同功率密度激光联合加载下合金钢的温度历程,为效应结果分析与效能评估提供技术支撑。