切向气流对激光辐照金属板熔融损伤效果影响(3)
1.2 国内外研究进展1.2.1 国外研究进展在国外，自上世纪 70年代开始，就有学者就切向气流对激光辐照金属板熔融损伤的问题进行研究。1974年，美国科学家 R.L.Johnson 和J.D.O’Keefe[1-2]等人就开始研究亚声速切向气流加速熔融液迁移的物理过程，并且提出了毛细柱、液滴迁移机理。他们通过理论计算铝、钛和铁这三种金属分别在不同激光光斑半径辐照下、不同亚声速切向气流下的熔穿时间，发现当自由流马赫数约为 0.3时，烧穿时间接近静态烧穿时间的0.4倍，当马赫数逐渐增大时，烧穿时间也随之缓慢增加。1980 年，K.C.ACrane[3]等人通过实验发现，目标金属靶面的燃烧率是与激光的平均功率成线性关系的，而且激光照射金属靶面的温度基本为常数，金属靶面的吸收率也为常数。1999 年，H.C.Man[4]等人发现可以通过喷嘴向金属表面加载声速的惰性气体气流来协助激光器完成更好的切割。2002 年美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）利用其研制的高功率脉冲固体热容激光器对金属靶的破坏机理做了大量的实验研究，并开展了数值模拟工作[5,6]。其结果表明，加以亚音速切向气流对实验的主要效应为：降低靶面温度；移除靶面的大部分熔化层；为金属靶面表层提供足够的氧气；空气动力学效应导致厚度较薄的金属靶在熔化温度之前发生破裂。2008年，C.D.Boley[7]等人在表面无气流和存在速度约为100m/s 切向气流条件下，使用固体热熔激光器辐照 6061 铝合金进行了对比试验研究。他们还用不同成分的气体，如氮气、空气，作为切向气流的组分，用重频激光辐照钢材料，并得到热响应特性。结果发现，在相同情况下，当碳钢材表面切向气流为空气的时候，材料会变得更容易熔穿，因为气流移除了熔化的部分，并为表面提供了更多的氧气，帮助了表面氧化的发生，其反应生热加速了钢材表面升温。2014年，Sean.M.Baumann[8]等人通过实验发现功率在 0.2-2kW/cm2的激光器击穿薄铝合金板的时间在 0.4s 到 10s 之间，且有涂层的或是氧化的表面会影响击穿的时间。1.2.2 国内研究进展随着国内激光技术的发展，国内科学工作者对切向气流对激光辐照金属板熔融损伤这个课题的研究也越来越深入。 1996年， 王伟平[9]等人运用重复频率 YAG 激光器辐照30CrMnSiA金属板，并在金属表面提供 0.1 马赫的氮气切向气流，并通过实验得到了低速气流和靶面的对流换热是的激光加热效应所需能量或功率增加的结论。2005 年，袁红[10]等利用有限元方法对连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况进行了数值模拟，并分析了热性能参数对温度场造成的影响，同时还比较了不同旋转频率对柱壳温度的分布影响。2007年，张建[11]等人运用 MFS软件模拟了高速飞行的轴对称物体受激光辐照的热流固耦合问题， 分析了温度场和热应力场的分布与演化关系。2010年，郑艳丽[12]等人运用有限元方法编写计算方法，模拟了无切向气流、用氮气作为切向气流和用空气作为切向气流时激光辐照金属板的温升分布并计算了氧化放热能量的大小。通过总结发现，在以氮气为切向气流时，钢板上下表面温升差异不大。
2011年，焦路光[13]等人总结介绍了近些年重要的研究成果，重点说明了亚声速切向气流在激光辐照金属板过程中起到的作用，同时也提出了试验研究分析中的不足及尚未解决的理论问题。2013 年，张东来[14]等人则借助 ANSYS 软件通过有限元方法模拟了以圆柱形金属/炸药结构为模型，存在切向气流的情况下，激光辐照金属板的温度场分布和对炸药爆炸的影响。2003年，刘峰[15]等人利用金属薄板的弹性弯曲理论，推导出来适用于切向气流加载导致局部受热金属板在熔化前的穿孔破坏机理的两种典型光束（方形和圆形）照射下的曲挠度、应力表达式，并用 Mises 理论给出了非熔化穿孔的破坏判据，并针对六种典型动态目标材料，数值计算并给出了判据曲线。2013 年，李君神[16]等人通过模拟与实验相互结合的方法研究了在切向气流条件下，激光辐照金属铝薄板时的效应，结果发现在较低激光功率密度条件下，切向气流主要通过对流换热对铝板起到冷却作用，且在激光停止辐照金属板后金属板降温的过程中，冷却效应更为明显。2014 年，张永强[17]等人通过模拟 TA15钛合金在马赫数为 0.4、0.8的亚声速气流中受激光辐照，得到了有关温度的数据，并发现在材料未融化之前，切向气流在激光辐照金属板过程中主要起冷却作用,源Z自L优尔W文~论`文]网[www.youerw.com， 并随着气流速度的增加效果而更为明显。2015 年，张黎[18]等人通过数值模拟较为完整的模拟了激光辐照金属板的物理变化过程，计算了不同速度的气流条件下的金属板温升变化和烧灼形貌。通过对烧灼形貌的计算发现动网格和两相流方法都可以较好的模拟切向气流下激光辐照金属板的温升响应。且两项流方法可以更加全面的模拟对流换热，所以得到的结果更为合理。1.3 本文的主要工作及结构安排论文的主要工作内容及结构安排如下：第一章为绪论，主要介绍了此课题的研究背景、研究意义以及国内外研究进展。第二章介绍了在切向气流条件下激光辐照金属板，切向气流的主要作用，并说明其作用机理。第三章分析了在加载切向气流状态下，激光辐照金属板的模型。基于有限元方法，通过COMSOL Multiphysics 软件模拟激光辐照铝合金板时温度场、应力场的分布和金属板的形变。在模拟中，在金属板表面加以具有一定速度的切向气流。通过数值模拟，总对比有无气流、气流速度不同对激光辐照金属板在温升、应力、形变等方面的影响，分析作用过程，研究作用原理，更加深入的对此课题展开研究。
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