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1、第２６卷第９期強激光與粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９２０１４年９月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＳｅｐ．，２０１４超聲速流場條件下激光輻照耦合效應(yīng)數(shù)值模擬吳小翠１，王一偉１，程欣欣２，黃晨光１，吳臣武２（１．中國科學(xué)院力學(xué)研究所，流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點實驗室，北京１００１９０；２．中國科學(xué)院力學(xué)研究所，先進(jìn)制造工藝力學(xué)重點實驗室，北京１００１９０）摘要：激光輻照結(jié)構(gòu)物包含復(fù)雜的多物理場耦合問題，其存在流、熱、固多種機(jī)制的耦合效應(yīng)。結(jié)合計算流體力學(xué)（ＣＦＤ）和有限元方法，對超聲速條件下的激光輻照平板問題進(jìn)行了熱流固耦合分析。采用ＣＦＤ方法得到平板附近
2、流場分布，利用有限元方法計算平板的溫度分布，并將二者結(jié)合起來實現(xiàn)流體和固體間的數(shù)據(jù)交互。理論分析確定了流場效應(yīng)的最主要影響參數(shù)為來流馬赫數(shù)與攻角。對于不同馬赫數(shù)，激光區(qū)域在６犕犪條件下存在溫度的谷值，小于等于６犕犪條件下主要體現(xiàn)為冷卻效應(yīng)，而６犕犪以上主要體現(xiàn)為氣動加熱效應(yīng)。攻角增大會導(dǎo)致激光區(qū)流體質(zhì)量流量的增加，使冷卻效應(yīng)更加明顯。最后綜合分析了流場氣動加熱和冷卻兩種效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制。關(guān)鍵詞：超聲速；激光輻照；流熱耦合；數(shù)值模擬；攻角中圖分類號：ＴＮ２４６文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ犱狅犻：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０９１０１０光輻照結(jié)構(gòu)物是一種復(fù)雜的多物理場過程，特別當(dāng)結(jié)
3、構(gòu)物在空中飛行時，流場、激光與結(jié)構(gòu)之間會存在流、熱、固等多種機(jī)制的耦合。激光導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)溫度場以及應(yīng)力場演化規(guī)律等問題得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。［１］袁紅等采用有限元方法數(shù)值模擬在連續(xù)激光輻照下旋轉(zhuǎn)柱殼溫度場的變化和分布情況，分析了熱性能參數(shù)［２］對溫度場造成的影響；王偉平等實驗研究了重復(fù)頻率脈沖ＹＡＧ激光對旋轉(zhuǎn)金屬殼的加熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)激光作［３］用下旋轉(zhuǎn)金屬殼的溫升大大低于靜止金屬殼的溫升。趙劍衡等用有限元方法數(shù)值模擬強激光輻照下柱殼上［４］溫度場的變化和分布情況，并對熱性能參數(shù)隨溫度變化對溫度場造成的影響進(jìn)行了研究。漆海濱等利用熱傳導(dǎo)理論分析了強激光對運動物體的加熱問題，得出
4、了物體表面溫度、激光功率密度、光斑尺寸及光斑相對于物體運動速度之間的關(guān)系。［５］［６］考慮到結(jié)構(gòu)周圍繞流的影響，張黎等采用動網(wǎng)格模型模擬氣流對平板的“沖刷效應(yīng)”。張健等在考慮激光與運動目標(biāo)相互作用的基礎(chǔ)上，利用有限元方法分析了亞聲速條件下運動目標(biāo)在激光輻照全過程的溫度［７］場和熱應(yīng)力場的分布與演化規(guī)律。石衛(wèi)波等采用工程計算方法求解高超聲速飛行器碳－碳復(fù)合材料分別在［８］氣動熱、激光單獨作用以及氣動熱／激光耦合作用下的熱化學(xué)燒蝕。張家雷等采用高能激光對復(fù)合材料的輻照效應(yīng)進(jìn)行了研究。為了預(yù)測激光輻照下碳纖維增強復(fù)合材料的瞬態(tài)熱響應(yīng)，提出了一個簡化計算模型。陳［９］敏孫等實驗研究了
5、樣品表面有切向空氣氣流、切向氮氣氣流和無氣流時，９７６ｎｍ連續(xù)激光對玻璃纖維增強［１０］Ｅ５１環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的輻照效應(yīng)。黃億輝等建立了能夠反映激光、流場和結(jié)構(gòu)相互作用的熱流固耦合數(shù)值計算方法，用于模擬超聲速氣流（馬赫數(shù)１．２～４．０）作用下強激光輻照靶體結(jié)構(gòu)的失效行為，分析了不同耦合策略對數(shù)值計算結(jié)果的影響，研究了激光功率密度及來流馬赫數(shù)對屈服失效和熔融失效行為的影響。陳華［１１］等在現(xiàn)有光滑粒子流體動力學(xué)方法基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合差分方法處理激光輻照邊界條件的方法，并利用此方法自編程序模擬計算了功率密度為５．０×１０９２的強連續(xù)激光輻照鋁靶時的熱－力學(xué)效應(yīng)。Ｗ／ｃｍ綜上所述
6、，目前工作對于熱力耦合效應(yīng)如溫度、應(yīng)力分布等給出了較為全面的結(jié)果，但對于流體的效應(yīng)研究相對較少。文獻(xiàn)［５］中認(rèn)為流場在亞聲速條件下主要是冷卻效應(yīng)，而文獻(xiàn)［７］通過工程計算方法得出高超聲速條件下氣動加熱影響很大。這反映了流場對激光輻照過程的影響具有非常復(fù)雜的規(guī)律，因而對于超聲速以及高超聲速流場，仍需要對流場的影響規(guī)律進(jìn)行更為系統(tǒng)和細(xì)致的研究。本文結(jié)合計算流體力學(xué)和有限元方法，對超聲速條件下的激光輻照平板問題進(jìn)行了熱流固耦合分析，確定了流場效應(yīng)的最主要影響參數(shù)為來流馬赫數(shù)與攻角，給出了超聲速流場對于激光輻照效應(yīng)的耦合作用規(guī)律。收稿日期：２０１３１１１５；修訂日期：２０１４
7、０３２８基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（１１２０２２１５）；國家自然科學(xué)基金重點基金項目（１１３３２０１１）作者簡介：吳小翠（１９８５—），女，博士研究生，從事計算流體力學(xué)研究；ｗｕｘｉａｏｃｕｉ＠ｉｍｅｃｈ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：王一偉（１９８３—），男，副研究員，從事計算流體力學(xué)研究；ｗａｎｇｙｗ＠ｉｍｅｃｈ．ａｃ．ｃｎ。０９１０１０１強激光與粒子束１數(shù)學(xué)模型１．１問題描述本文的主要目的是模擬超聲速乃至高超聲速條件下激光輻照、流動與結(jié)構(gòu)傳熱的耦合效果?？紤]到通常高速飛行器乘波體外形下表面
