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1、第２６卷第９期強(qiáng)激光與粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９２０１４年９月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＳｅｐ．，２０１４超聲速流場(chǎng)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(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京１００１９０；２．中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，先進(jìn)制造工藝力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)耦合問(wèn)題，其存在流、熱、固多種機(jī)制的耦合效應(yīng)。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（ＣＦＤ）和有限元方法，對(duì)超聲速條件下的激光輻照平板問(wèn)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(chǎng)分布，利用有限元方法計(jì)算平板的溫度分布，并將二者結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)流體和固體間的數(shù)據(jù)交互。理論分析確定了流場(chǎng)效應(yīng)的最主要影響參數(shù)為來(lái)流馬赫數(shù)與攻角。對(duì)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(dòng)加熱效應(yīng)。攻角增大會(huì)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(chǎng)氣動(dòng)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(lèi)號(hào)：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(chǎng)過(guò)程，特別當(dāng)結(jié)
3、構(gòu)物在空中飛行時(shí)，流場(chǎng)、激光與結(jié)構(gòu)之間會(huì)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(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律等問(wèn)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(chǎng)的變化和分布情況，分析了熱性能參數(shù)［２］對(duì)溫度場(chǎng)造成的影響；王偉平等實(shí)驗(yàn)研究了重復(fù)頻率脈沖ＹＡＧ激光對(duì)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(qiáng)激光輻照下柱殼上［４］溫度場(chǎng)的變化和分布情況，并對(duì)熱性能參數(shù)隨溫度變化對(duì)溫度場(chǎng)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(qiáng)激光對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的加熱問(wèn)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(duì)于物體運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。［５］［６］考慮到結(jié)構(gòu)周?chē)@流的影響，張黎等采用動(dòng)網(wǎng)格模型模擬氣流對(duì)平板的“沖刷效應(yīng)”。張健等在考慮激光與運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)在激光輻照全過(guò)程的溫度［７］場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的分布與演化規(guī)律。石衛(wèi)波等采用工程計(jì)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(dòng)熱、激光單獨(dú)作用以及氣動(dòng)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(duì)復(fù)合材料的輻照效應(yīng)進(jìn)行了研究。為了預(yù)測(cè)激光輻照下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的瞬態(tài)熱響應(yīng)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)化計(jì)算模型。陳［９］敏孫等實(shí)驗(yàn)研究了
5、樣品表面有切向空氣氣流、切向氮?dú)鈿饬骱蜔o(wú)氣流時(shí)，９７６ｎｍ連續(xù)激光對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)［１０］Ｅ５１環(huán)氧樹(shù)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(chǎng)和結(jié)構(gòu)相互作用的熱流固耦合數(shù)值計(jì)算方法，用于模擬超聲速氣流（馬赫數(shù)１．２～４．０）作用下強(qiáng)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(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，研究了激光功率密度及來(lái)流馬赫數(shù)對(duì)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(dòng)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(jì)算了功率密度為５．０×１０９２的強(qiáng)連續(xù)激光輻照鋁靶時(shí)的熱－力學(xué)效應(yīng)。Ｗ／ｃｍ綜上所述
6、，目前工作對(duì)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(duì)于流體的效應(yīng)研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)［５］中認(rèn)為流場(chǎng)在亞聲速條件下主要是冷卻效應(yīng)，而文獻(xiàn)［７］通過(guò)工程計(jì)算方法得出高超聲速條件下氣動(dòng)加熱影響很大。這反映了流場(chǎng)對(duì)激光輻照過(guò)程的影響具有非常復(fù)雜的規(guī)律，因而對(duì)于超聲速以及高超聲速流場(chǎng)，仍需要對(duì)流場(chǎng)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(jì)算流體力學(xué)和有限元方法，對(duì)超聲速條件下的激光輻照平板問(wèn)題進(jìn)行了熱流固耦合分析，確定了流場(chǎng)效應(yīng)的最主要影響參數(shù)為來(lái)流馬赫數(shù)與攻角，給出了超聲速流場(chǎng)對(duì)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（１１２０２２１５）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金項(xiàng)目（１１３３２０１１）作者簡(jiǎn)介：吳小翠（１９８５—），女，博士研究生，從事計(jì)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(jì)算流體力學(xué)研究；ｗａｎｇｙｗ＠ｉｍｅｃｈ．ａｃ．ｃｎ。０９１０１０１強(qiáng)激光與粒子束１數(shù)學(xué)模型１．１問(wèn)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(dòng)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
