激光作用水中靶材热作用分析

论文摘要

随着激光水下加工的飞速发展，水下激光与靶材的相互作用研究越来越引起人们的重视。本文简要叙述了传热学中的能量守恒定律、傅立叶定律、温度场及导热微分方程和定解条件，介绍了激光与空气中材料相互作用理论，包括靶材物质对激光的反射、吸收和转化的基本机制，讨论了激光对固体材料加热的温度场及其熔融的温度场和固—液态界面的移动速度及液态质量迁移。在此基础上，对高功率激光与水中靶材相互作用时材料的加热过程进行了理论分析和数值模拟研究。根据热传导方程，分析了靶材在激光辐照下的光学及热物理性能的变化情况，建立了合理的数学物理模型，并运用有限元方法得到了激光作用水中靶材的瞬态温度场分布。通过改变不同的激光参数，得到了铝靶中心温度随时间变化图像，及铝靶沿径向和轴向温度分布图像。计算结果表明，铝靶的温度场分布在一个很小的局部区域，该区域存在很大的温度梯度，且极不均匀。另外，在相同作用条件的情况下，分别对置于空气中和水中靶材的中心温升变化情况进行了研究，得出水下激光对靶材加热后靶材中心温升幅度明显低于空气中。本文的研究结果可以为水下激光加工激光参数的选取提供一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 国内外研究状况
• 1.4 本文的工作介绍
• 2.传热学理论基础
• 2.1 热量传递的三种基本形式
• 2.1.1 热传导
• 2.1.2 热对流
• 2.1.3 热辐射
• 2.2 导热理论
• 2.2.1 温度场和温度梯度
• 2.2.2 稳态传热
• 2.2.3 瞬态传热
• 2.3 傅立叶定律与导热系数
• 2.3.1 傅立叶定律
• 2.3.2 导热系数
• 2.4 导热微分方程及定解条件
• 2.4.1 导热微分方程
• 2.4.2 导热问题的定解条件
• 2.5 本章小结
• 3 激光与材料的相互作用基础理论
• 3.1 激光的吸收
• 3.1.1 激光与靶材作用的一般现象和特点
• 3.1.2 材料的吸收系数
• 3.2 激光的加热
• 3.3 激光加热下物体的温度场
• 3.3.1 热传导方程和定解条件
• 3.3.2 半无限厚物体的温度场
• 3.4 激光加热问题和应用
• 3.5 激光引起材料的熔化
• 3.5.1 固—液态界面的移动速度
• 3.5.2 液态物质质量迁移
• 3.6 本章小结
• 4.激光对水中铝靶的温度场的数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 靶材对激光的吸收能量表达式
• 4.3 靶材及激光参数
• 4.3.1.铝靶及水的热物性参数
• 4.3.2 激光参数
• 4.3.3 铝靶的热导率
• 4.3.4 铝的比热容
• 4.3.5 环境参数
• 4.4 激光作用水中靶材的热传导方程
• 4.5 激光对水中靶材温度场的数值模拟的研究
• 4.5.1 空气中和水下靶材中心处瞬态温度场的研究
• 4.5.2 空气中和水下靶材沿径向瞬态温度场分布的研究
• 4.5.3 空气中和水下靶材沿轴向瞬态温度场分布的研究
• 4.6 本章小结
• 5.总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献