亞音速氣流條件下激光輻照合金鋼效應(yīng)研究.pdf

1、隨著強激光技術(shù)的發(fā)展，氣流條件下激光輻照材料的損傷效應(yīng)，由于其在軍事和工業(yè)中的應(yīng)用背景，受到了廣泛的關(guān)注。與地面靜態(tài)大氣中開展的大量激光輻照金屬效應(yīng)研究相比，切向氣流與激光共同作用會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使效應(yīng)機理變得尤為復(fù)雜。氣流條件下激光輻照金屬材料的主要效應(yīng)包括表面氧化導(dǎo)致激光耦合增強、氧化反應(yīng)放熱、強制對流換熱和熔化產(chǎn)物沖刷四個方面。研究這些效應(yīng)的機理，建立氣流與激光聯(lián)合加載下高仿真度的溫度場計算模型，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。

2、
　　本文針對航空領(lǐng)域常用的合金鋼開展亞音速切向氣流與激光聯(lián)合加載效應(yīng)研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　1．通過理論和實驗研究，闡明了激光輻照過程中耦合率增加的效應(yīng)機理。在FeO-Fe3O4-Fe2O3三層氧化物膜中，中間吸收型 Fe3O4膜是反射率變化的主要影響因素，最外層 Fe2O3膜引起的干涉效應(yīng)影響反射率的穩(wěn)定值，最內(nèi)層 FeO膜對反射率變化的貢獻(xiàn)可以忽略。隨金屬基底溫度升高，F(xiàn)e2O3、Fe3O4和 FeO氧化

3、物膜依次出現(xiàn)。建立了基于多層氧化膜生長模型、吸收基底表面多層吸收膜模型和熱傳導(dǎo)方程的反射率變化動力學(xué)模型，解決時變耦合率表征難題。建立了考慮氣流傳質(zhì)和反應(yīng)速率方程的氧化反應(yīng)放熱模型，解決溫度場計算中熱源項的準(zhǔn)確表征問題。
　　2．通過實驗和數(shù)值模擬方法研究不同幾何參數(shù)熔坑對強制對流換熱的影響。研究結(jié)果表明激光燒蝕產(chǎn)生的熔坑導(dǎo)致氣流邊界層分離，在熔坑內(nèi)部形成渦旋，改變傳熱特性。熔坑上游對流換熱能力下降，下游換熱能力增強，是影響溫度場

4、演化的主要原因之一。與平板對流換熱情況相比，熔坑增強了氣流的總換熱能力，在50m/s氣流速度下?lián)Q熱能力增強15％，并隨氣流速度增大而增強。通過研究發(fā)現(xiàn)不同幾何參數(shù)下熔坑內(nèi)渦旋速度場分布有相似性，提出分段線性函數(shù)擬合熔坑內(nèi)部對流換熱系數(shù)的方法，解決了移動邊界對流換熱系數(shù)的準(zhǔn)確表征問題。
　　3．通過熔坑內(nèi)水與切向氣流相互作用的實驗研究，闡明了氣流對熔化物的沖刷機理。表面切向氣流作用下熔坑內(nèi)液體移除分兩種模式：初期流場無渦旋，氣液界面

5、產(chǎn)生界面波，液體以浪涌形式移出熔坑區(qū)；隨液位下降氣液界面凹陷導(dǎo)致渦旋產(chǎn)生，此時液體以卷吸、破碎、飛濺形式移出熔坑區(qū)?；谧杂杀砻媪鲃幽Ｐ脱芯苛藲饬魉俣群鸵后w密度對相互作用過程的影響，建立了沖刷機理的唯象模型。
　　4．設(shè)計并建立了亞音速氣流條件下的激光輻照效應(yīng)實驗研究系統(tǒng)，開展高亞音速切向氣流條件下激光輻照合金鋼的綜合效應(yīng)實驗研究。建立以廣義能量耦合系數(shù)表征的定標(biāo)關(guān)系式。以廣義能量耦合系數(shù)為判據(jù)對各效應(yīng)的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對

6、13mm鋼板，外部氣流引起的強制對流換熱效應(yīng)使廣義能量耦合系數(shù)降低28%，沖刷效應(yīng)使廣義能量耦合系數(shù)增加22%，氧化效應(yīng)使廣義能量耦合系數(shù)平均提高~7%。無氣流時有漆平板廣義能量耦合系數(shù)比無漆板高14%，在0.8Ma氣流條件下有漆平板廣義能量耦合系數(shù)比無漆板高34%。
　　5、以上述效應(yīng)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，建立了綜合溫度場計算模型。以熱傳導(dǎo)方程為控制方程，采用邊界條件方式實現(xiàn)表面氧化導(dǎo)致激光耦合增強、氧化反應(yīng)放熱、移動邊界下強制對流換