切向流場影響下激光壁面加載特性

嚴向峰， 杜英杰

（成都航空職業(yè)技術(shù)學院 航空維修工程系，成都 610100）

0 引言

激光加載具有極高的過熱度，屬高度不平衡過程。在亞聲速飛行物目標抗激光防護技術(shù)的研究過程中發(fā)現(xiàn)，物體近壁區(qū)速度附面層和溫度附面層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附面層中輸運現(xiàn)象旺盛，與激光輻照作用中的傳熱、傳質(zhì)過程以及多相流強烈耦合，影響激光對壁面材料和結(jié)構(gòu)的加熱、熔化、氣化、力學效應(yīng)以及等離子現(xiàn)象。在前人的研究中［1-3］，鮮有考慮切向流場對于激光壁面加載機理的影響。本文將在激光壁面加載模型中引入亞音速切向流場，并將仿真計算持續(xù)至靶材表面出現(xiàn)熔池階段。通過對熔池發(fā)展的數(shù)據(jù)分析切向流場對激光壁面加載特性的影響，揭示存在切向氣流條件下的激光輻照效應(yīng)機制。

1 模型建立

本文中設(shè)置的激光輻照區(qū)域為半徑5mm的圓面，且在計算進行過程中激光對應(yīng)于靶材表面的加載位置固定不變。三維模型如圖1所示。其流場進口處氣流參數(shù)（壓力、靜溫與總溫）預(yù)先在更大的模型中計算得到，采用profile文件導(dǎo)入圖1所示的壓力進口。

模型中，速度為0.3倍音速的氣流通過壓力進口進入30 mm×30 mm×10 mm的氣相區(qū)域，流經(jīng)輻照表面后通過壓力出口離開計算域。由于激光能量加載采用高斯分布，其光斑最大直徑處加載能量不及光斑中心處的十分之一，可假設(shè)激光輻照作用對加載面以外的部分影響極小。因此在計算模型中僅保留了激光光斑輻照區(qū)域所在的16 mm×16 mm×10 mm固相區(qū)域，其區(qū)域邊界距離激光光斑邊緣最近距離為3 mm。

圖1 計算模型

2 計算參數(shù)

計算模型中選擇的靶面材料為鋼鐵，在選擇其物性參數(shù)時部分參數(shù)根據(jù)鋼鐵中含碳量的不同略有差異。該材料常溫下的密度為6 957.5 kg/m3，熔點設(shè)置為1 630 K，熔化潛熱2.69×105J/kg，熔化后生成熔融金屬密度為6×10-3kg/（m·s）。模型中進口風速為0.3倍音速，可認為空氣是不可壓縮的。根據(jù)計算中的溫度變化范圍，空氣及靶材的部分熱物理參數(shù)變化如表1。

表1 材料熱物理性質(zhì)隨溫度的變化

仿真模擬中使用UDF將激光輻照能量轉(zhuǎn)化為面熱源形式加載于靶材輻照區(qū)域表面，參考李勇等［4］的研究，結(jié)合實際試驗所采用的激光中心點能量強度，計算得輻照區(qū)域中心點處面熱源約為1.98×107W/m2。

3 結(jié)果分析

當模型中未引入切向氣流前，激光能量固定加載于靶材輻照表面，經(jīng)過總時長為0.58 s的計算后得到此時固相材料熔池的發(fā)展狀況。如圖2所示，模型對稱剖面的溫度場及熔化邊界（每一個小網(wǎng)格均為邊長0.5 mm的正六面體），形成中心對稱，半徑4 mm的熔池。計算截止時，輻照中心處熔融金屬的最高溫度為2 538 K，緊靠靶材上表面輻照區(qū)域的空氣受熱明顯，氣液兩相之間換熱旺盛。而金屬物質(zhì)間導(dǎo)熱效率明顯不及氣流的換熱效率，其熔池邊界正下方固相材料網(wǎng)格溫度尚不足750 K。

考察輻照表面溫度場分布后可知（如圖3所示），激光輻照區(qū)域內(nèi)存在較大溫度梯度，但一旦離開此區(qū)域后，溫度梯度將迅速下降為零，可認定激光熱作用區(qū)域僅限于激光光斑輻照區(qū)域，因此在模型建立階段，采用縮減固相區(qū)域體積，降低模型網(wǎng)格總數(shù)，提升計算效率的方案是可行的。

當引入切向流場后，熔融金屬在氣動力作用下發(fā)生流動，出現(xiàn)了隨時間變化的兩相界面，激光能量輻照效應(yīng)將受到兩相流動的影響。

圖2 熔池及溫度場參數(shù)

圖3 壁面溫度場分布

在氣流速度的3個分量中，Y軸分量占總速度的98%以上，直接影響流動，因此可用Vy在法線方向的速度梯度來考察氣流邊界層厚度的變化。如圖4所示，氣流在輻照區(qū)域及其后的流動過程中速度梯度保持一個相對小值，形成穩(wěn)定發(fā)展的附面邊界層流場。隨著流動邊界層的形成與擴展，降低了氣流與壁面之間由于對流換熱形成的熱損失，有利于激光加載。圖5顯示氣流流經(jīng)輻照區(qū)域時，近壁流場的溫度梯度出現(xiàn)劇烈變化。在接近輻照中心處，壁溫遠大于近壁氣流溫度。當氣流通過輻照中心后，壁面溫度與氣流溫度間的差距逐漸減小。在輻照區(qū)域末端，氣流溫度已高于壁面溫度，此時熱量將從流場反向傳遞至靶材表面。

在上述作用的影響下，靶材表面熔池邊緣的發(fā)展也呈現(xiàn)出明顯的非對稱性。在圖6～圖8中，記錄了沿氣流方向上熔池半徑隨加載過程進行的發(fā)展及熔池深度的變化過程。

在靶材熔化前及熔化前期，切向氣流所造成的靶面輻照區(qū)域前后緣熱環(huán)境不對稱對熔池發(fā)展起主導(dǎo)作用。輻照區(qū)域后緣部分由于流動邊界層增大，對流換熱效率降低，且流經(jīng)此處的氣流溫度在輻照初期甚至高于壁面溫度的多重影響之下，靶材表面溫度達到熔點以及后續(xù)熔化邊界的推移速度都要快于前緣。

但在圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著能量加載的持續(xù)進行，熔化深入靶材金屬材料內(nèi)部，熔池發(fā)展開始呈現(xiàn)一種相反的特點。隨著出現(xiàn)少量熔融金屬滯留于已形成的熔池后半端，其對于激光輻照的隔絕作用將遠遠強于氣流的加熱效果，此時熔化邊界向前緣的推移速度將高于向后緣的推移速度。

在與無切流場影響下所得的模擬結(jié)果做對比的過程中發(fā)現(xiàn)，熔池向靶材內(nèi)部的發(fā)展在輻照初期（0.4 s內(nèi)）呈現(xiàn)明顯的加速趨勢。當附面層氣流不存在時，經(jīng)0.58 s的輻照時間，熔池深度為1 mm。當加入附面層氣流的影響后，熔池深度由0發(fā)展至0.5 mm時用時0.248 s，由0.5 mm發(fā)展至1 mm用時0.208 25 s，由1 mm發(fā)展至1.5 mm時僅用時0.065 s。由于激光熱效應(yīng)的淺表特性，熔融金屬覆蓋于輻照表面所產(chǎn)生的保護作用對熔池形狀的發(fā)展有較大影響。當存在切向氣流作用時，淺表熔池中的大多數(shù)熔融金屬很快被氣流帶離輻照區(qū)域，熔化向靶材內(nèi)部發(fā)展的速度相對于無風模型有所增加，輻照區(qū)域中出現(xiàn)的凹陷也有利于激光能量的加載。在激光加載過程中，若能夠通過一個短暫預(yù)脈沖致使靶材表面出現(xiàn)淺表熔化，那么對于隨后而來的主脈沖加載無疑十分有利，這一特點能夠應(yīng)用于激光武器防護性能研究。

4 結(jié)論

本文采用計算流體力學方法分析了切向流場對激光壁面加載特性的影響：

1）激光加載效應(yīng)具備明顯的淺表特性，雖然金屬具有較大的熱導(dǎo)率，但仍然可以認為激光加載的熱作用僅限于輻照光斑所在的位置。

2）切向流場受激光輻照加熱及兩相流流動的多重影響，其邊界層厚度在輻照區(qū)域穩(wěn)定增加，并伴隨著巨大的溫度梯度變化，從對流換熱的角度考慮，這種變化降低了對流換熱效率，有利于激光加載。

3）當加入切向流場的影響后，熔池的發(fā)展趨勢與無風模型有著顯著區(qū)別。在對流換熱效率沿流向不斷下降的前提條件下，輻照區(qū)域后緣壁面材料在初期更早達到熔點。但隨著加載過程的持續(xù)進行，熔化邊界逐漸深入至靶材內(nèi)部，駐留于熔池后部的熔融金屬對激光輻照能量的遮蔽效果將導(dǎo)致熔池向輻照前緣的發(fā)展速度增加。

4）熔化深入靶材內(nèi)部的速度在整個能量加載過程中呈現(xiàn)不斷加速的趨勢，即當輻照能量直接深入材料內(nèi)部時，其熱效應(yīng)將大大增強。

圖4 附面層速度梯度

圖5 附面層溫度梯度

圖6 熔池發(fā)展趨勢（熔池深度0.5 mm）

圖7 熔池發(fā)展趨勢（熔池深度1 mm）

圖8 熔池發(fā)展趨勢（熔池深度1.5 mm）

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