文献综述
高速气流下激光加热金属平板的效应研究
摘要：本章简要介绍高速气流下激光与金属板的相互作用，表明了研究高速气流与激光辐照结构物相互作用机理的重要性，并阐述了高速气流下激光辐照耦合效应研究的重要性。
关键字：高速气流、激光辐照、数值模拟
- 引言
激光对金属靶的加热效应已有广泛的研究，其物理本质为求解各种初边值条件下的傅里叶热传导方程，激光辐照结构物包括复杂的多物理场耦合问题，其存在流、热、固多种机制的耦合效应[1]，当高速气流经过激光辐照区时，气体会产生包括熔化液态金属的迁移、对流换热、剥离或增加表面的氧化层及力学效应等作用[2]，因此高速气流与激光辐照结构物相互作用机理的研究具有重要的科学意义。
气体对激光加热金属平板的影响主要体现在对流换热与气体剥蚀两方面，通常情况下气流附面层温度往往低于激光加热后的金属板表面温度，因此对流换热带走热量导致辐照下的高温金属板温度下降，而气体剥蚀则有利于激光对金属板的加热，气流状态决定熔融金属的剥蚀程度，气体流速低于某一阈值后将无法熔融的金属吹离熔池[3]。当然气流的影响并不是单一的，气流的马赫数和攻角也起了一定的作用：对于不同马赫数，激光区域在6Ma条件下存在温度的谷值，小于等于6Ma条件下主要体现为冷却效应，而6Ma以上主要体现为气体的加热效应，攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加，使冷却效应更加明显[1]。此外，随着激光技术的不断发展，在现在的激光切割和激光武器中都将涉及到气流场的影响，激光导致的结构温度场以及应力场演变规律被广泛关注和探寻，近20年来，国内外学者做了大量的实验和研究并取得了很多成果。
2、高速气流对激光辐照影响的研究现状
2.1国内研究
袁红等[4]采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况，分析了热性能参数对温度场造成的影响；王伟平等[5]实验研究了重复频率脉冲ＹＡＧ激光对旋转金属壳的加热效应，发现激光作用下旋转金属壳的温升大大低于静止金属壳的温升。赵剑衡等[6]用有限元方法数值模拟强激光辐照下柱壳上温度场的变化和分布情况，并对热性能参数随温度变化对温度场造成的影响进行了研究。漆海滨等[7]利用热传导理论分析了强激光对运动物体的加热问题，得出了物体表面温度、激光功率密度、光斑尺寸及光斑相对于物体运动速度之间的关系。考虑到结构周围绕流的影响，张黎等[8]采用动网格模型模拟气流对平板的“冲刷效应”。张健等[9]在考虑激光与运动目标相互作用的基础上，利用有限元方法分析了亚声速条件下运动目标在激光辐照全过程的温度场和热应力场的分布与演化规律。石卫波等[10]采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳 － 碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热／激光耦合作用下的热化学烧蚀。张家雷等[11]采用高能激光对复合材料的辐照效应进行了研究。为了预测激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应，提出了一个简化计算模型。陈敏孙等[12]实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时，976nm连续激光对玻璃纤维增强Ｅ-5１环氧树脂复合材料的辐照效应。黄亿辉等[13]建立了能够反映激光、流场和结构相互作用的热流固耦合数值计算方法，用于模拟超声速气流（马赫数１.2～４.0）作用下强激光辐照靶体结构的失效行为，分析了不同耦合策略对数值计算结果的影响，研究了激光功率密度及来流马赫数对屈服失效和熔融失效行为的影响。
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