強激光對靶材燒蝕效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

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1、航天器環(huán)境工程第27卷第1期32SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年2月強激光對靶材燒蝕效應(yīng)的數(shù)值模擬研究湯文輝，冉憲文，徐志宏，張若棋(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院技術(shù)物理研究所，長沙410073)摘要：強激光燒蝕是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包括質(zhì)量遷移、相變、運動邊界等諸多復(fù)雜因素。如果靶為復(fù)合材料，燒蝕機理更加復(fù)雜，而且很難找到共性規(guī)律，這對數(shù)值計算方法提出了較高的要求。文章介紹了強激光燒蝕的理論基礎(chǔ)、燒蝕模型以及對強激光燒蝕進行數(shù)值模擬的無網(wǎng)格方法(光滑粒子動力學(xué)方法，即SPH方法)。采用了SPH方法對典型靶的激光燒蝕

2、進行了數(shù)值模擬，并給出了單層鋁靶和環(huán)氧樹脂／鋁雙層靶在激光輻照下的燒蝕形貌與溫度場。計算結(jié)果表明，在不同材料的交界面，燒蝕將沿徑向發(fā)展。關(guān)鍵詞：強激光；燒蝕；溫度場；熱應(yīng)力；SPH方法；程序設(shè)計中圖分類號：TN249；V258；0245文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673—1379(2010)01—0032-03DOh10．3969，j．issn．1673—1379．2010．01．0051前言激光與物質(zhì)相互作用是從入射激光被物質(zhì)反射和吸收開始的。當(dāng)激光束輻照到均勻且各向同性的靶物質(zhì)時，部分能量被周圍氣體(或微粒)和靶表面所散射或反射，進入靶物質(zhì)的部分被吸收，

3、其余部分則穿透靶物質(zhì)而繼續(xù)傳播。真空環(huán)境中入射激光束的總能量(功率)是反射(散射)、吸收和折射(透射)三部分之和。從微觀機理看，激光對物質(zhì)的作用是高頻電磁場對物質(zhì)中自由電子或束縛電子的作用。激光與物質(zhì)的相互作用一方面與激光的波長、強度、波形的時間結(jié)構(gòu)(脈寬)密切相關(guān)，另一方面又與物質(zhì)的成分、狀態(tài)及其光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性等因素密切相關(guān)。隨著航天技術(shù)和強激光計算的迅速發(fā)展，強激光對航天器材料的破壞效應(yīng)越來越受到人們的重視，因此需要開展深入研究。本文主要介紹了強激光燒蝕的基本理論和數(shù)值模擬方法，對單層鋁靶和環(huán)氧樹脂／鋁雙層靶在激光輻照下的燒蝕形貌與溫度場進行了數(shù)

4、值模擬。2激光燒蝕的理論基礎(chǔ)2．1熱傳導(dǎo)方程熱傳導(dǎo)方程是激光燒蝕的物理基礎(chǔ)，其基本形式為p警+divv,7：o，(1)p五+2o，【1)式中：e=eo+I邰d丁為比內(nèi)能；P為材料密度；蠆為熱流密度。Fourier定律給出熱流密度與溫度梯度成正比，而方向相反，即孑=一kgradT，(2)式中的比例常數(shù)k稱作熱導(dǎo)率，也叫導(dǎo)熱系數(shù)，是材料的物理性能參數(shù)。(2)式給出的Fourier定律僅適用于各向同性材料。綜合(1)式和(2)式可以給出各向同性材料的熱傳導(dǎo)方程為p面de+kdiv(鯽丁)=0。(3)應(yīng)該注意，對于各向異性材料，導(dǎo)熱系數(shù)k隨方向而變。2．2激光的作

5、用模式對于大部分材料，它們的光學(xué)厚度很小，因此可以將激光光源作為熱流邊界引入到計算模型中去。激光的空間分布考慮均勻光斑和高斯光斑兩種。激光的時間分布考慮激光強度隨時間不變和隨時間改變兩種，每一種其中又分別考慮連續(xù)和重頻兩種情況。收稿Et期：2009．09．29：修回日期：2009．12．25作者簡介：湯文輝(1964．)，男，博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事脈沖輻照動力學(xué)、計算流體動力學(xué)、材料動態(tài)力學(xué)性能等方面的研究。E·mail：wenhuitang@163．com．湯丈輝等：強激光對靶材燒蝕效應(yīng)的數(shù)值模擬研究332．3邊界條件法的核心是插值計算。在

6、燒蝕條件下，計算模型將涉及兩類邊界條件，即固體邊界條件和移動邊界條件?。根據(jù)傳統(tǒng)的分類方法，l占1定邊界條件也就是常用的第一、第二、第二邊界條件；燒蝕條件下的移動邊界條件涉及到兩類，一個是燒蝕邊界條件，另一個是相邊界條件。2．4復(fù)合材料或聚合物化學(xué)分解的工程模型許多氣動燒蝕實驗表明，發(fā)生燒蝕狀況的復(fù)合材料體積變化相對較小，岡此工程化模型可以／fi考慮材料體積和力學(xué)參數(shù)的變化。而在激光輻照下，復(fù)合材料的溫度和密度將會發(fā)牛較為劇烈的變化，為了能夠正確描述復(fù)合材料在激光輻照下的溫度和密度的演化規(guī)律，必須在能量平衡和質(zhì)量甲衡基礎(chǔ)上建立工程模犁。經(jīng)過一系列復(fù)雜推導(dǎo)，

7、復(fù)合材料的質(zhì)量變化可以寫成望：一!一OPs，(4)西Pp—Pcat式中：口為化學(xué)反應(yīng)進度；t為時間；Ps表示燒蝕剩余吲體的密度；鄺為未反應(yīng)固體的密度；風(fēng)為反應(yīng)生成焦炭的密度。3數(shù)值方法與程序設(shè)計激光燒蝕是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程[1-3】，包括質(zhì)量遷移、相變、運動邊界等諸多復(fù)雜因素，這對數(shù)值計算方法捉f{j了較高的要求。從現(xiàn)有的文獻來看，許多燒蝕計算程序均采用傳統(tǒng)的網(wǎng)格方法，并需采用適體坐標(biāo)(body—finedcoordinates)來描述燒蝕邊界的運動演化過程【4】，這將使數(shù)值計算更為復(fù)雜。本文采用光滑粒子動力學(xué)(SmoothedParticleHydr

8、odynamics，SPH)方法進行計算。在光滑粒子流體動力學(xué)方法