论文摘要
利用激光辐照靶目标时，被辐照部位可能是液体贮箱。本文采用实验、理论与数值模拟相结合的技术途径，系统研究了连续波激光对液体贮箱的辐照效应。主要研究内容与结论如下：1、建立了适用于研究连续波激光对液体贮箱辐照效应的实验系统。当激光功率密度较低、液体处于自然对流状态时，发展了“掩埋式热电偶安装方法”来测量固液交界处固体壁面的温度；搭建了二维数字式粒子图像测速系统，测量了对称面内的速度场演化。当激光功率密度较高、液体会发生沸腾时，利用中波红外相机测量了辐照面温度，标定了像素灰度值与温度的非线性关系。2、通过合理简化，建立了描述液体处于自然对流状态时侧壁温度和流场演化的三维瞬态耦合传热数值计算模型。计算结果与实验结果相符较好。利用该数值模型开展了仿真实验，研究了激光功率密度、液体沿激光入射方向的尺寸、贮箱内水位高度等因素对侧壁温升和液体速度场的影响。3、通过实验与数值模拟的紧密结合，研究了液体处于自然对流状态时激光辐照下侧壁铝板温升及液体速度场的演化规律。激光辐照初期，铝板中心的温升率较高；随着壁面附近液体温度的升高，光斑附近速度边界层内的最大流速vmax增大，传热强度亦增大，导致铝板的温升率降低。当铝板吸收的激光能量能够基本被水的对流带走时，铝板中心的温升率趋于零；若此时速度边界层外附近流场没有明显变化，则vmax也基本不变。对于本文研究的模型，激光辐照过程中，光斑中心区域边界层外附近的液体温度和速度场都未发生明显变化。铝板吸收的激光功率密度Iabsorb越大，铝板中心温升率越快地趋于零。激光停照时刻的铝板中心温度与vmax随Iabsorb的增大近似线性增大，由此估算了到该时刻使水发生核态沸腾的阈值功率密度。4、实验研究了激光功率密度较高、液体会发生沸腾时的激光辐照效应。沸腾起始时间tB随Iabsorb的变化呈等轴双曲线关系，这表明：（1）当Iabsorb减小趋向于临界功率密度I0时，tB将趋于无穷大，即不会发生沸腾。这是由于当Iabsorb小于I0时，光斑中心区域热边层外液体没有明显温升，铝板吸收的激光能量能够被水的对流带走，壁面温度在达到沸腾所要求的过热度之前，就达到了平衡状态。（2）当Iabsorb足够大时，tB趋向于最小值t0。这是由于热量从铝板前表面传播到后表面需要时间，气泡的生长及分离也需要一定的时间。进入核态沸腾阶段后，换热强度急剧增大，铝板中心处的升温率急剧降低。当铝板中心区域吸收的能量和散失的能量基本相等时，铝板的温度基本不变达到平衡，平衡温度TC按Iabsorb0.21的规律变化。5、实验研究了侧壁铝板的熔穿规律。有水时侧壁的熔穿存在两种模式。第一种模式为：壁面处核态沸腾产生的小气泡在水的上部区域不断积聚，积聚区域向下扩展到光斑附近后造成此处传热强度的恶化，进而使得核态沸腾转至膜态沸腾，熔穿发生。该种模式所需的熔穿时间与贮箱内液体容量有关，熔穿所需时间相对较长。第二种模式为：功率密度足够高时，不借助小气泡的聚集，壁面处的沸腾状态就迅速从核态沸腾跳至膜态沸腾，壁温急剧上升，导致侧壁熔穿。对于本文研究的模型，熔穿时间tm随Iabsorb的增大近似线性下降。
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