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(qiáng)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(kāi)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(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使效應(yīng)機(jī)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(qiáng)、氧化反應(yīng)放熱、強(qiáng)制對(duì)流換熱和熔化產(chǎn)物沖刷四個(gè)方面。研究這些效應(yīng)的機(jī)理，建立氣流與激光聯(lián)合加載下高仿真度的溫度場(chǎng)計(jì)算模型，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

2、
　　本文針對(duì)航空領(lǐng)域常用的合金鋼開(kāi)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(gè)方面：
　　1．通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，闡明了激光輻照過(guò)程中耦合率增加的效應(yīng)機(jī)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)力學(xué)模型，解決時(shí)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(chǎng)計(jì)算中熱源項(xiàng)的準(zhǔn)確表征問(wèn)題。
　　2．通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究不同幾何參數(shù)熔坑對(duì)強(qiáng)制對(duì)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(duì)流換熱能力下降，下游換熱能力增強(qiáng)，是影響溫度場(chǎng)

4、演化的主要原因之一。與平板對(duì)流換熱情況相比，熔坑增強(qiáng)了氣流的總換熱能力，在50m/s氣流速度下?lián)Q熱能力增強(qiáng)15％，并隨氣流速度增大而增強(qiáng)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)不同幾何參數(shù)下熔坑內(nèi)渦旋速度場(chǎng)分布有相似性，提出分段線性函數(shù)擬合熔坑內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)的方法，解決了移動(dòng)邊界對(duì)流換熱系數(shù)的準(zhǔn)確表征問(wèn)題。
　　3．通過(guò)熔坑內(nèi)水與切向氣流相互作用的實(shí)驗(yàn)研究，闡明了氣流對(duì)熔化物的沖刷機(jī)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(chǎng)無(wú)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(shí)液體以卷吸、破碎、飛濺形式移出熔坑區(qū)?；谧杂杀砻媪鲃?dòng)模型研究了氣流速度和液體密度對(duì)相互作用過(guò)程的影響，建立了沖刷機(jī)理的唯象模型。
　　4．設(shè)計(jì)并建立了亞音速氣流條件下的激光輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，開(kāi)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(shí)驗(yàn)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(duì)各效應(yīng)的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對(duì)

6、13mm鋼板，外部氣流引起的強(qiáng)制對(duì)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(wú)氣流時(shí)有漆平板廣義能量耦合系數(shù)比無(wú)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(wú)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(chǎng)計(jì)算模型。以熱傳導(dǎo)方程為控制方程，采用邊界條件方式實(shí)現(xiàn)表面氧化導(dǎo)致激光耦合增強(qiáng)、氧化反應(yīng)放熱、移動(dòng)邊界下強(qiáng)制對(duì)流換