亞音速氣流條件下激光輻照合金鋼效應研究.pdf

1、隨著強激光技術的發(fā)展，氣流條件下激光輻照材料的損傷效應，由于其在軍事和工業(yè)中的應用背景，受到了廣泛的關注。與地面靜態(tài)大氣中開展的大量激光輻照金屬效應研究相比，切向氣流與激光共同作用會產(chǎn)生協(xié)同效應，使效應機理變得尤為復雜。氣流條件下激光輻照金屬材料的主要效應包括表面氧化導致激光耦合增強、氧化反應放熱、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，具有重要的學術意義和工程應用價值。

2、
　　本文針對航空領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方程的反射率變化動力學模型，解決時變耦合率表征難題。建立了考慮氣流傳質和反應速率方程的氧化反應放熱模型，解決溫度場計算中熱源項的準確表征問題。
　　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。研究結果表明激光燒蝕產(chǎn)生的熔坑導致氣流邊界層分離，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．設計并建立了亞音速氣流條件下的激光輻照效應實驗研究系統(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實驗研究。建立以廣義能量耦合系數(shù)表征的定標關系式。以廣義能量耦合系數(shù)為判據(jù)對各效應的影響進行分析，結果表明：對

6、13mm鋼板，外部氣流引起的強制對流換熱效應使廣義能量耦合系數(shù)降低28%，沖刷效應使廣義能量耦合系數(shù)增加22%，氧化效應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、以上述效應研究結果為基礎，建立了綜合溫度場計算模型。以熱傳導方程為控制方程，采用邊界條件方式實現(xiàn)表面氧化導致激光耦合增強、氧化反應放熱、移動邊界下強制對流換