激光加載過程中金屬熔化的數(shù)值計(jì)算——論文開題答辯ppt

1、激光加載過程中金屬熔化的數(shù)值計(jì)算,年級(jí)：2010級(jí)姓名：嚴(yán)向峰學(xué)號(hào)：201005089指導(dǎo)教師：徐讓書,報(bào)告大綱,課題背景國內(nèi)外科研現(xiàn)狀課題目標(biāo)建模分析算例結(jié)果分析結(jié)論,一.課題背景,激光加載過程中壁面溫度場以及相變過程取決于壁面加載條件，激光輻照所引起的質(zhì)量遷移也同入射表面的環(huán)境條件、附面層流場狀況等因素密切相關(guān)。亞音速空中飛行物近壁區(qū)速度附面層和溫度附面層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附面層中輸運(yùn)現(xiàn)象旺盛，與激光輻照作用中的傳熱、傳質(zhì)

2、過程以及多相流強(qiáng)烈耦合，從而可能產(chǎn)生氣動(dòng)加熱，氣動(dòng)冷卻以及固體靶材熔化后所產(chǎn)生的流固耦合等諸多現(xiàn)象，對(duì)激光對(duì)壁面材料和結(jié)構(gòu)的加熱、熔化、氣化、力學(xué)效應(yīng)以及等離子現(xiàn)象產(chǎn)生很大影響。 課題研究亞音速空中目標(biāo)附面層流場，以及近壁區(qū)中動(dòng)量、能量和質(zhì)量輸運(yùn)對(duì)壁面激光加載特性的影響，揭示在有氣流條件下激光輻照效應(yīng)機(jī)制，著重研究壁面已存在金屬熔池狀態(tài)下的兩相流流動(dòng)，對(duì)于評(píng)估目標(biāo)抗激光防護(hù)技術(shù)在實(shí)際飛行環(huán)境中的效能有重要意義。,

3、二.國內(nèi)外科研現(xiàn)狀,在激光對(duì)目標(biāo)物壁面加載特性方面，國內(nèi)開展了激光作用下物體的溫度場、熔化和燒蝕的仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。流場對(duì)加載特性的影響：,李海燕等人以美國ABL系統(tǒng)激光武器為例，分析了高超聲速飛行器附面層流場氣體影響激光武器毀傷效應(yīng)的一些主要因素。試件附面層流場中的氣體具備大氣層氣體的所有特性，激光在流場中傳輸時(shí)必然經(jīng)歷與在大氣中傳輸時(shí)的相同過程。近壁面氣流流動(dòng)狀況與溫度條件決定了附面層流場中動(dòng)量、能量和質(zhì)量的輸運(yùn)過程，對(duì)于靶材

4、發(fā)生表面熔化后與氣流相互作用所形成的熔池流動(dòng)、熔融物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、靶材材料氣化擴(kuò)散、固壁內(nèi)的溫度場分布等都有較大影響。,,王偉平等研究了鋼片在空氣自然對(duì)流及低速（Ma = 0.1）切向氣流這兩類不同試驗(yàn)環(huán)境下使用重復(fù)頻率YAG激光輻照下的溫度響應(yīng)。通過理論分析激光作用下的氣流與靶面的換熱通量，發(fā)現(xiàn)其與激光參數(shù)（強(qiáng)度、作用時(shí)間）、氣流參數(shù)（物理性質(zhì)，流速）及靶參數(shù)（物理性質(zhì)，幾何尺寸）都有關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在激光作用下，靶材的溫升與靶前表面的

5、對(duì)流換熱狀況有較大關(guān)系，當(dāng)靶面存在低速附面層流場時(shí)，靶材的溫升明顯低于其處于空氣自然對(duì)流環(huán)境下所采集數(shù)據(jù)，證實(shí)了氣動(dòng)冷卻效應(yīng)對(duì)激光加載特性的影響。,右圖為YAG激光加載時(shí)固壁溫度場隨時(shí)間的變化，能明顯觀測到氣動(dòng)冷卻效果,,杜太焦等研究了高速目標(biāo)在激光輻照下的溫升效應(yīng)，采用來自風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)則方程式作為邊界上的對(duì)流換熱系數(shù)，并在計(jì)算中考慮到了材料參數(shù)隨溫度的變化。陳敏孫等采用有限差分法對(duì)激光輻照下復(fù)合材料壁面非穩(wěn)態(tài)一維傳熱模型進(jìn)行數(shù)值求解，

6、考慮到了附面層氣流流場對(duì)于能量加載過程的影響。但由于算法及計(jì)算側(cè)重點(diǎn)的限制，切向氣流對(duì)流換熱以及熱分解氣體對(duì)表面熱交換覆蓋效應(yīng)的影響僅以邊界條件的形式代入計(jì)算。鄭艷麗等采用有限元方法求解鋼板在第二類和第三類邊界條件下的導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)泊松方程，并考慮材料氧化反應(yīng)熱，得到在吹空氣、吹氮?dú)庖约盁o吹氣條件下靶材的溫度場時(shí)空分布。 張健的數(shù)值計(jì)算研究結(jié)果比以上研究更接近于考慮流動(dòng)與輻照效應(yīng)的耦合，他利用有限元方法分析了亞聲速條件下運(yùn)動(dòng)目

7、標(biāo)在激光輻照全過程的溫度場和熱應(yīng)力場的分布與演化規(guī)律。由于高速流場的存在，計(jì)算結(jié)果顯示出了明顯的氣動(dòng)冷卻效果，并且輻照區(qū)域的兩側(cè)由于受熱程度不同而出現(xiàn)了熱應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象。但是其采用的計(jì)算方案將流場處理為簡化的二維不可壓縮流動(dòng)模型，因而未能反映流場特別是附面層結(jié)構(gòu)對(duì)壁面激光加載特性影響的規(guī)律和機(jī)理。,,在激光作用下金屬熔化和燒蝕問題中，理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算仿真的研究成果加深了對(duì)相關(guān)現(xiàn)象和機(jī)制的理解。激光加載下金屬的熔化與燒

8、蝕：,楊立新等采用有限元方法研究了激光加工過程中熔池熔化和凝固的過程，與之前的研究有所不同的是，通過在計(jì)算中引入液相分?jǐn)?shù)標(biāo)量，以熱焓源項(xiàng)導(dǎo)入熔化潛熱，應(yīng)用“Darcy”源項(xiàng)導(dǎo)入動(dòng)量方程，從而建立起統(tǒng)一的液體和固體連續(xù)方程。規(guī)避了研究熔池特性過程中視熔化邊界為移動(dòng)邊界條件，將流體區(qū)與固體區(qū)分開單獨(dú)求解這種非最優(yōu)方案。通過比較不同機(jī)理主導(dǎo)作用下的熔池形狀，分析了熱傳導(dǎo)、Marangoni和熱浮力三種不同的換熱機(jī)理對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響。模擬的結(jié)

9、果顯示，在多重?fù)Q熱機(jī)理作用下，熔池內(nèi)部換熱更加活躍，熔池形狀將變得更寬更淺，與只存在熱傳導(dǎo)機(jī)制下的熔池形狀有明顯差別。表面張力在整個(gè)熔池形成，發(fā)展以至最后停止加載后的凝固階段都起著非常重要的作用。,,綜合換熱機(jī)理作用下熔池內(nèi)部流動(dòng) 綜合換熱機(jī)理作用下熔池形狀差異,當(dāng)存在金屬熔池時(shí)，熱傳導(dǎo)、熱浮力與熱表面張力的綜合作用使得熔池內(nèi)部出現(xiàn)旋流運(yùn)動(dòng)，這將使激光加載能量更快的傳遞至熔

10、池邊緣，使得熔池形狀更寬更淺,,汪任憑等建立了激光深熔焊接過程中氣、液、固三相統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，并采用了VOF方法追蹤自由液面，模型中考慮了表面張力、熱浮力和反沖壓力的作用，通過數(shù)值計(jì)算得到了匙孔變化的動(dòng)態(tài)過程與相應(yīng)的溫度分布。在加熱初期，激光能量主要用于加熱金屬基體，熱傳導(dǎo)是這一階段熱量傳遞的主要方式。隨著加載過程的進(jìn)行，靶材表面經(jīng)歷熔化至汽化的過程，在較大的蒸汽反沖作用下，在熔化的金屬內(nèi)部形成匙孔。匙孔的存在有利于金屬材料對(duì)激光能量的

11、吸收。,,目前，國外公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中鮮見關(guān)于空中飛行器附面層流場對(duì)激光武器毀傷效應(yīng)的直接研究，對(duì)流場模擬裝置及其流場的研究報(bào)道也較少。,激光加載致使金屬熔化這一領(lǐng)域，多位研究者均使用數(shù)值模型的方式來模擬激光加工過程中的熔池特性。Basu B等利用CFD方法計(jì)算了穩(wěn)態(tài)情況下激光加載熔化問題，在仿真過程中將熔化界面處理成為移動(dòng)邊界，對(duì)此邊界兩側(cè)的固/液相區(qū)域分開求解，網(wǎng)格重新劃分的工作量較大。 且這樣的處理手段還將導(dǎo)致仿真結(jié)果對(duì)初始條件

12、的巨大依賴，Lee S Y等人在隨后的數(shù)值仿真模擬中發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)區(qū)初始熔池形狀的不同選擇將帶來明顯差異的仿真結(jié)果。,,分析上述國內(nèi)外研究成果，不難發(fā)現(xiàn)以下不足：大多數(shù)的研究中，附面層流場對(duì)于壁面激光加載特性的影響僅進(jìn)行至壁面材料熔化之前。而涉及到熔化之后的研究通常為激光加工及工藝范疇，不考慮切向氣流的影響，罕有同時(shí)考慮兩者共同作用時(shí)的研究成果。模型建立過程中，對(duì)激光輻照能量的加載方式進(jìn)行了簡化處理，大多采用邊界換熱條件引入計(jì)算，或

13、采用更為簡單的固定空間體熱源方式，不能夠準(zhǔn)確的反映出激光加載的特點(diǎn)。在壁面金屬熔池形成與發(fā)展的計(jì)算過程中，采用的簡化手段使得計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重依賴于初始條件。計(jì)算時(shí)大多將熔化邊界的發(fā)展簡單的看做由金屬內(nèi)部熱量傳導(dǎo)所引起，不考慮內(nèi)部沸騰及平衡汽化等現(xiàn)象。,三.課題目標(biāo),實(shí)現(xiàn)有附面層氣流條件下飛行目標(biāo)物的激光輻照熱力效應(yīng)的耦合數(shù)值計(jì)算，著重研究靶材表面已存在金屬熔池情況下激光加載時(shí)的兩相流流場以及溫度場，并在后續(xù)計(jì)算中考慮相變及化學(xué)反應(yīng)等因素

14、。以下是本次課題所研究的主要內(nèi)容： 1.亞音速附面層流場中激光加載金屬壁面熔化/凝固相變過程計(jì)算； 2.激光輻照能量加載過程中亞音速氣流掠過金屬熔池時(shí)的多相流計(jì)算； 3.計(jì)算過程中將考慮平衡汽化效應(yīng)的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象對(duì)仿真結(jié)果的影響。,四.建模分析,右圖為本次課題所采用的初始計(jì)算域，包含近壁流場，噴嘴以及“無限遠(yuǎn)”流場等三部分的大計(jì)算域。大計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量巨大，對(duì)計(jì)算資源的消耗極其可觀，無法用于激光能量加載的

15、直接計(jì)算。但可以在大計(jì)算域中進(jìn)行附面層流場的計(jì)算，進(jìn)而獲取精確的流場參數(shù)作為小計(jì)算域的流動(dòng)邊界條件,,,模型的精簡,在對(duì)模型進(jìn)行能量加載計(jì)算之前，必須對(duì)三維模型進(jìn)行簡化。簡化后的計(jì)算域?qū)⒅话胁钠矫嬉约捌渖戏讲糠謿庀啵ˋir）空間。小計(jì)算域模型如右圖。為了盡可能的降低模型對(duì)計(jì)算資源的消耗，在試算之后對(duì)固相域的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了進(jìn)一步的削減。這一操作的根據(jù)及目的將在其后說明。,,滑移壁面,壓力進(jìn)口,壓力出口,氣相域,固相域,輻照表面,物性

16、參數(shù)設(shè)置,模型中選擇的靶材為鋼鐵，在選擇其物性參數(shù)時(shí)，部分參數(shù)根據(jù)鋼鐵中含碳量的不同略有差異，不過這并不影響對(duì)于激光在存在附面層條件下壁面加載機(jī)理的研究。靶面材料物性參數(shù)如下表：,模型中流場風(fēng)速為0.3Ma，在大計(jì)算域中采集某一截面處的流場數(shù)據(jù)，使用profile方式將其導(dǎo)入精簡后的計(jì)算域的壓力進(jìn)口。 在精簡模型中，僅保留了激光光斑所在區(qū)域的16×16×10（mm）固相區(qū)域，其區(qū)域邊界距離光斑邊緣最近距

17、離為3mm，氣相區(qū)域仍保持30×30×20（mm）原有體積不變。,,,根據(jù)計(jì)算過程中的溫度變化范圍，空氣及靶材材料隨溫度變化的物性參數(shù)如下,,,在表中可以看到，金屬類材料隨著自身溫度的上升，其導(dǎo)熱性將不斷下降。從前人的研究中得知，利用Q600SDT差式掃描量熱儀對(duì)HT62銅鋅合金的比熱容進(jìn)行測定，能夠顯著觀察到材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升而下降趨勢，并在材料熔化后能夠觀測到階躍式下降。 本次課題中在靶材物性

18、參數(shù)的設(shè)置中能夠體現(xiàn)出靶材導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的上升而下降，暫時(shí)沒有考慮熔化后導(dǎo)熱性能突降的特性。在FLUENT設(shè)置上述隨溫度變化的物性參數(shù)時(shí)，均采用分段線性插值方式導(dǎo)入計(jì)算模型。,激光加載的計(jì)算與分析,,,非傅立葉效應(yīng),,,UDF（用戶自定義函數(shù)）分析,,激光能量具有指向性強(qiáng)這一突出特點(diǎn)，但FLUENT的輻射模型中對(duì)于輻射的離散處理無法滿足這一要求，因此需要采用其他手段將此類定向能（激光，電子束）加載于模型之上。在之前的研究中，大多數(shù)采用將

19、輻射能轉(zhuǎn)化為熱流邊界條件的方式，加載于計(jì)算模型之中。這樣的處理方式，在出現(xiàn)移動(dòng)邊界之后顯然是不適用的?！　≡谡n題研究中，采用UDF方法來實(shí)現(xiàn)激光能量的加載。由于激光在金屬中的趨膚深度很小，對(duì)紅外波段吸收層厚度也只有幾十微米，因此可以認(rèn)定：激光能量在氣液/氣固相界面處即完成了吸收與反射的全過程。根據(jù)這一物理特點(diǎn)編寫UDF，將激光能量以內(nèi)熱源形式添加于兩相界面所在的網(wǎng)格之中?！　≡谝淹瓿傻腢DF中，將實(shí)現(xiàn)激光能量在相界面處的動(dòng)態(tài)加載，滿

20、足能量載荷的高斯分布要求，能夠模擬平衡氣化過程中出現(xiàn)的質(zhì)量輸運(yùn)過程。,,,,能量加載示意圖,UDF設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng),,由于在UDF中采用的相界面判斷準(zhǔn)則為相體積分?jǐn)?shù)0 < αq ≤1，因此在出現(xiàn)液滴飛散脫離靶材表面，但又處于加載區(qū)域的情況下，會(huì)對(duì)液滴下方區(qū)域造成遮蔽效果，但UDF在液滴所在的平面法線方向上掃描過程中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)相界面。顯然，在多個(gè)相界面中只有一個(gè)是計(jì)算中的受熱表面，在程序設(shè)計(jì)中已考慮此種情況對(duì)計(jì)算精度的影響。,多個(gè)符

21、合判斷條件的網(wǎng)格,左圖存在三個(gè)單元網(wǎng)格滿足相界面判斷條件，但激光能量將只加載于擁有最大Z軸坐標(biāo)的網(wǎng)格中。 因此在程序編寫過程中，通過首次的線程循環(huán)得到符合相體積分?jǐn)?shù)條件的網(wǎng)格后，還將通過二次循環(huán)掃描來確定當(dāng)前網(wǎng)格是否是沿靶材平面法線方向上擁有相同（X，Y）坐標(biāo)且符合相體積分?jǐn)?shù)條件的網(wǎng)格中Z軸坐標(biāo)值最大的一個(gè)。,仿真過程的進(jìn)一步簡化,,在課題研究的初期，采用LES方法計(jì)算大計(jì)算域的模型，約50min完成一次迭代步長（10-

22、6s量級(jí)），預(yù)計(jì)完成整個(gè)計(jì)算需用時(shí)400多天，這顯然無法實(shí)現(xiàn)。因此要謀求仿真過程的進(jìn)一步簡化。 所采用的簡化方式如下： 1.UDF中涉及到網(wǎng)格的二次掃描，因此減少網(wǎng)格數(shù)量可以明顯提升計(jì)算效率； 2.使用其他湍流模型完成計(jì)算（k-ε）； 3.利用相似準(zhǔn)則處理模型，增大迭代時(shí)間步長。,相似準(zhǔn)則在模型中的應(yīng)用,,當(dāng)模型計(jì)算至靶面材料熔化后產(chǎn)生的多相流階段時(shí)，更有流動(dòng)特征時(shí)

23、間尺度（不大于10-5s）與傳熱特征時(shí)間尺度（約10-2s）差異過大的問題，嚴(yán)重影響計(jì)算的效率。 在前人的研究中，證實(shí)了相似準(zhǔn)則在激光壁面加載模型中的適用性。但之前的研究中均不涉及壁面受熱熔化后的過程，因此僅采用幾何相似準(zhǔn)則來建立縮比計(jì)算模型。 本文利用量綱理論分析多項(xiàng)流流動(dòng)的相似準(zhǔn)則，再結(jié)合兩相間作用的定性分析建立起一套完整的多相流對(duì)流換熱的相似準(zhǔn)則體系。并通過改變物性參數(shù)比例尺來調(diào)整非穩(wěn)態(tài)模型的計(jì)算特征時(shí)

24、間，縮小流動(dòng)特征時(shí)間尺度與傳熱特征時(shí)間尺度之間的差異，從而能夠選用更大的迭代時(shí)間步長，達(dá)到提升計(jì)算效率的目的。,,,若要使得簡化后的計(jì)算模型保持與原型相似的流動(dòng)傳熱現(xiàn)象，則相似模型中流體歐拉數(shù)Eu、雷諾數(shù)Re、馬赫數(shù)Ma、普朗特?cái)?shù)Pr、弗勞德數(shù)Fr、韋伯?dāng)?shù)We、傅立葉數(shù)Fo、流場邊界條件及初始條件應(yīng)與原始模型相同。相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)過程不再贅述。 使用如下參數(shù)的對(duì)比模型進(jìn)行試算：,1:1,1:2,由左側(cè)兩圖可知，兩個(gè)模型的相界

25、面沿氣流流動(dòng)方向的推移情況幾乎一致，模擬效果良好。而1：1模型實(shí)際計(jì)算時(shí)長10412s， 1：2模型實(shí)際計(jì)算時(shí)長5981s，相似處理后的模型縮短計(jì)算時(shí)間約42.6%，顯著提升計(jì)算效率。,相似準(zhǔn)則適用性及誤差分析,,在論文中，對(duì)上述相似處理方法進(jìn)行的適用性的驗(yàn)證與誤差分析，此處不在贅言。這套多相流對(duì)流換熱的相似準(zhǔn)則在兩相間存在一相高粘度流體，且重力對(duì)流動(dòng)過程影響較低的情況下，選擇恰當(dāng)?shù)目s放比例（原則上不大于4，本次課題選擇的比例為2）進(jìn)行

26、相似變換后的模型計(jì)算出的結(jié)果與原始模型相符，誤差約為6.5%。 經(jīng)過模型試算，存在附面層影響下的激光壁面加載模型滿足以上限定條件，由于降低流場風(fēng)速，故在非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中使用的時(shí)間步長可增大2-4倍，計(jì)算效率顯著提升。其計(jì)算誤差將主要體現(xiàn)在人為降低50%對(duì)流換熱效率（抑制氣動(dòng)冷卻效果），但考慮到氣流冷卻效果相對(duì)于激光能量的加熱效果來說是個(gè)小量，綜合來看，這套相似準(zhǔn)則體系適用于本次課題的計(jì)算，在后續(xù)的計(jì)算中，將默認(rèn)

27、采用比例系數(shù)為2的相似模型計(jì)算流場結(jié)果。,五.算例結(jié)果分析,由于靶面材料在熔化之前的計(jì)算模擬過程已經(jīng)由林銳在《高速近壁流場壁面加載特性CFD研究》一文中詳細(xì)分析，故此處不再贅述，僅給出以下重要仿真結(jié)果的分析說明：由于壁面溫度的升高，對(duì)流換熱換熱量增大，在熱損失增大而加載能量總量不變的情況下，壁面材料溫度上升的趨勢逐漸變緩，附面層氣流剪應(yīng)力和Nu數(shù)均與壁面溫度變化成反比例關(guān)系。在亞聲速范圍內(nèi)，激光加熱溫升遠(yuǎn)大于氣流恢復(fù)溫度，可以不

28、考慮氣動(dòng)加熱。切向附面層氣流增加了激光加熱材料所需的能量或功率，延緩靶面材料達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間約12.06%。對(duì)流損失的功率密度不可忽略，影響激光損傷閾值。,無附面層流場影響下的激光壁面加載機(jī)理,,,下圖為靶材上表面首層位于輻照中心點(diǎn)的網(wǎng)格溫升曲線。計(jì)算結(jié)果顯示，加載進(jìn)行至0.248s時(shí)網(wǎng)格溫度到達(dá)靶面金屬材料的凝固點(diǎn)1630K，繼續(xù)加載能量直至0.304s后模型認(rèn)定網(wǎng)格中所有固相金屬材料均已加熱至熔化狀態(tài)，溫度繼續(xù)上升。在整個(gè)熔化過程中，

29、此溫升平臺(tái)期占據(jù)時(shí)長約18.4%，對(duì)靶材熔化初期的影響不能忽略。 隨著激光輻照能量的增大，此平臺(tái)期持續(xù)時(shí)間將縮短，但仍能夠在材料熔點(diǎn)附近觀察到溫度波動(dòng)。,,,,上圖展示了熔化過程進(jìn)行伊始，靶材金屬材料中上表面的溫度分布。可以得知，在激光輻照區(qū)域具有相當(dāng)大的溫度梯度，而在此區(qū)域外的壁面溫度幾乎未受影響。盡管金屬有著很大的導(dǎo)熱系數(shù)，但是在激光加載這類型的瞬時(shí)強(qiáng)熱作用下，其加熱作用僅限于光斑附近的表面。,輻照區(qū)域,,,,由于激光

30、能量加載的高斯分布，輻照光斑邊緣處所加載的能量尚不及輻照中心處的1/10，因此越遠(yuǎn)離輻照中心處的靶面區(qū)域溫度達(dá)到熔化溫度所需的能量加載時(shí)間就越長。如上圖所示，熔池半徑在熔化開始后不到0.03s的時(shí)間中便已增大至2mm，隨后熔化邊界的推移速度便出現(xiàn)了明顯的下降，至0.56s時(shí)熔池半徑才增大至4mm。,,,,,如右圖所示，計(jì)算于0.58s截止時(shí)，熔池中最高溫度2538K，緊靠靶材上表面輻照區(qū)域的空氣受熱明顯，氣液兩相之間換熱旺盛。與此相對(duì)的

31、，由熔化邊界所隔開的固液兩相間存在較大的溫度梯度，金屬物質(zhì)間導(dǎo)熱效率不及氣流的換熱效率，其熔池正下方首層網(wǎng)格中溫度尚不足750K，驗(yàn)證了熔融金屬較低的導(dǎo)熱性。,當(dāng)計(jì)算模型中沒有引入附面層氣流影響時(shí)，熔池的發(fā)展及溫度場分布都呈現(xiàn)出以輻照中心對(duì)稱的特點(diǎn)，在計(jì)算時(shí)長中，熔池邊界尚未擴(kuò)展到激光光斑邊緣處，熔池深度也沒有進(jìn)一步的發(fā)展。,存在附面層流場影響下的激光壁面加載機(jī)理,,,無風(fēng)狀態(tài)下的壁面加載特性在整體上呈現(xiàn)中心對(duì)稱，當(dāng)引入附面層氣流的影響

32、之后，這種對(duì)稱性將被打破，能量加載特性將在氣流流向方向上呈現(xiàn)不對(duì)稱的特點(diǎn)。 模型中引入附面層流場后，分析其速度及溫度梯度分布：,附面層速度梯度,附面層溫度梯度,,,,從速度梯度示意圖中可以看到：氣流進(jìn)口處的氣流數(shù)據(jù)由于采用profile文件的方式導(dǎo)入，已屬于穩(wěn)定流動(dòng)，因此看不到采用氣流噴嘴時(shí)噴嘴處速度梯度的劇烈振蕩。氣流在由進(jìn)口流至輻照區(qū)域低壓區(qū)之前約3mm處時(shí)，速度梯度出現(xiàn)激增，近壁區(qū)域氣流速度降低，與主流之間的速度差增

33、大。而在輻照區(qū)域及其后的流動(dòng)過程中速度梯度保持一個(gè)相對(duì)小值，形成穩(wěn)定的附面邊界層流場。隨著邊界層流場的形成與擴(kuò)展，降低了氣流與壁面之間由于對(duì)流換熱形成的熱損失，對(duì)于激光能量加載過程是有利的。 由溫度梯度曲線可以知道：氣流在達(dá)到輻照區(qū)域之前幾乎沒有溫度的變化。流經(jīng)輻照區(qū)域時(shí)，溫度梯度急劇減小。隨著靠近輻照中心處，溫度梯度的絕對(duì)值達(dá)到最大值。當(dāng)氣流通過輻照中心后，壁面溫度與氣流溫度間的差距逐漸減小，溫度梯度開始增大。

34、 在靶面材料熔化初期，附面層氣流對(duì)激光加載特性的影響在輻照區(qū)前端主要表現(xiàn)為氣動(dòng)冷卻效果，而在輻照區(qū)后端，在邊界層厚度增加及氣流溫度高于壁溫（熔化開始初期）的雙重作用下，附面層氣流在距輻照中心3mm之后的輻照區(qū)域甚至出現(xiàn)了對(duì)壁面的加熱效果。,熔池半徑發(fā)展的計(jì)算與分析,,,,三張圖片分別表示當(dāng)熔池深度為0.5mm/1.0mm/1.5mm時(shí)，熔池半徑沿附面層氣流流向上的變化趨勢,,,,通過對(duì)熔池實(shí)際發(fā)展過程的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在熔池形成的初期

35、，能夠直觀的看到，熔池邊界向輻照區(qū)域前緣推移的速度（黑線）低于向后緣推移的速度（紅線）。 造成這一現(xiàn)象的主要原因是：輻照區(qū)域前緣及中心處的氣流速度邊界層厚度在氣體升溫及壁面不光滑兩種機(jī)理的作用下迅速增大。隨著邊界層厚度的增大，近壁面的空氣速度下降，其通過表面對(duì)流換熱效應(yīng)帶走的熱量也開始下降，且越接近后緣處氣流速度越低，帶走的熱量也就越少。且氣流在流經(jīng)輻照區(qū)域后緣時(shí)，空氣溫度已高于壁面溫度，熱量開始由氣流傳至壁面。輻照區(qū)域前

36、后兩端的熱環(huán)境存在差異，造成了熔池發(fā)展的不對(duì)稱。,,,氣流方向,熔池不對(duì)稱發(fā)展示意圖（0.21325s）,,,,當(dāng)熔化開始深入靶材金屬材料內(nèi)部后，熔池的發(fā)展趨勢將和初期發(fā)展呈現(xiàn)明顯的區(qū)別，此時(shí)熔化邊界向輻照區(qū)域前緣推移的推移速度（黑線）反而高于向后緣推移的速度（紅線），這一現(xiàn)象在熔化深入至第三層網(wǎng)格（1.5mm）后尤為明顯。 隨著熔池深度的增加，熔融金屬液將越來越難以被吹離熔池，最終部分熔融金屬液將滯留于熔池后半端，避免了

37、激光能量直接輻照在熔池底部的金屬壁面上，變相起到了隔離作用。這一現(xiàn)象帶來的保護(hù)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣流對(duì)壁面的加熱效果，因此熔化邊界向輻照區(qū)域后緣推移的速度大大降低，而輻照前緣部分直接暴露于激光輻照之下，熔化速度快于后緣。,熔池不對(duì)稱發(fā)展示意圖（0.36825s）,,,氣流方向,熔池深度發(fā)展分析,,當(dāng)附面層氣流不存在時(shí)，經(jīng)0.56s的輻照時(shí)間，熔化仍停留于激光加載區(qū)域，未出現(xiàn)向靶材深處發(fā)展的現(xiàn)象。 當(dāng)模型中加入附面層氣流的影響后，

38、從數(shù)據(jù)分析中可以得知，當(dāng)靶材表面熔化深入至0.5mm時(shí)用時(shí)0.248s，熔化深入至1mm用時(shí)0.20825s，深入至1.5mm時(shí)用時(shí)0.065s，熔化邊界向靶材內(nèi)部推移的速度呈明顯加速趨勢。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因，是因?yàn)槿鄢匦纬珊笕廴诮饘倜撾x輻照區(qū)域后形成的凹坑，使得激光加載能量能夠直接深入靶材內(nèi)部，對(duì)于能量加載是有利的。若引入化學(xué)反應(yīng)模型后，隨著熔融金屬不斷脫離熔池或與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，熔池深度將不斷增大，靶材最終將

39、被熔穿。,,六.結(jié)論,（1）課題中使用基于商業(yè)CFD軟件建立的用戶自定義函數(shù)程序在模型計(jì)算全程中表現(xiàn)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)其預(yù)定功能。（2）激光加載具有極高的過熱度，為高度不平衡過程，熔化過程進(jìn)行迅速。（3）在能量加載過程中，輻照區(qū)域處壁面升溫明顯，金屬材料有著大的熱導(dǎo)率，但激光加載的熱作用可以認(rèn)為僅限于輻照光斑所在的表面。（4）附面層氣流對(duì)激光壁面加載特性的影響不容忽略。但在熔化過程的不同階段，流場對(duì)激光壁面加載特性的影響方式也存在差異

40、（5）當(dāng)存在附面層氣流作用時(shí)，能量加載初期形成的淺表熔池中的熔融金屬被氣流帶離輻照區(qū)域，熔池向靶材內(nèi)部發(fā)展的速度大大高于無氣流作用下的計(jì)算模型。,對(duì)今后工作的建議,,（1）采用LES方法實(shí)現(xiàn)對(duì)三維環(huán)境下開啟VOF模型的物質(zhì)熔化過程的計(jì)算研究，獲取更高的計(jì)算精度。（2）計(jì)算不同速度附面層氣流作用下對(duì)激光能量加載特性影響的研究數(shù)據(jù)，并在保證計(jì)算穩(wěn)定性的前提下延長計(jì)算時(shí)間。（3）本文計(jì)算分析了激光輻照下靶材表面金屬熔化的初期過程，當(dāng)熔化