哈工大传输原理课程报告论文(激光加热温度场研究)

不同材料激光加热温度场研究摘要：本文对半无限空间加热〔激光加热〕温度场分布进行了两个方面的研究，主要分析了不同材料的性质与温度场分布的关系，以及对同一材料激光加热温度场变化的分析，另一方面我们分析了考虑材料相变情况下其温度场分布。关键词：半无限空间激光加热温度场相变随着激光器的不断完善，激光处理在金属加工工业得到许多方面的应用。不同材料由于具有不同的导温系数，在激光加热中所产生的温度场分布情况也是不相同的，其分布与材料性质、加热温度以及加热时间等有关。本次我们主要研究温度场分布与这些因素的内在关系，希望能给激光的更广泛应用带来帮助。一维情况且不考虑相变的固态问题研究1.问题的提出对于不同材料的激光加热温度场模型研究，限定在一维，且不考虑相变的固态问题。我们需要研究四个方面：〔1〕在加热时间相同的情况下，不同材料温度场的差异。〔2〕同一材料，温度场随加热时间的变化。〔3〕同一材料，不同位置的温度随加热时间的变化。〔4〕对于不同材料，如何调整加热时间，以使不同材料间的温度分布曲线相同。考虑利用matlab编程，生成图像来研究以上问题。我们选用Al、Cu、Fe三种材料作为研究对象。2.数学模型假定有一半无限长金属棒，其初始温度为t0，在x=0处以温度为t∞的激光源进行加热，使这一端温度瞬时到达t∞，假设λ不随温度t变化，那么其温度t满足：一维温度场方程：——热扩散率初始条件：边界条件：满足以上条件的方程解为：其中：〔高斯误差函数〕附表：铝、铜、铸铁的热扩散率〔a〕值3.编程生成图像在加热时间相同的情况下，不同材料温度场的差异。以铝、铜及铸铁为例，现假定金属棒初始温度，激光加热温度。对三种金属激光加热1min、3min和10min后温度场曲线如下：加热10min温度场程序如下结论：加热相同的时间，温度场分布大小关系为：铜>铝>铸铁，说明对于不同金属，其热扩散率越大，加热相同时间温度场也越高；而对于同一种金属，由曲线可知，越靠近加热端，加热时间越长其温度越高。同一材料，温度场随加热时间的变化。以Fe为研究对象，加热时间为1min、3min、10min时的温度场分布如下：程序如下：结论：加热时间越长，同一位置的金属棒上各点温度越高；另外随着加热时间的增加，温度场分布曲线越来越平缓，金属棒上各处温度的分布越来越均匀，最终趋向于800℃同一材料，不同位置的温度随加热时间的变化。分别以Al、Cu、Fe为研究对象，离加热端分别为0.1m、0.5m、1m的位置，温度随加热时间的变化如下：Fe程序如下：结论：由图可知，同一材料，越靠近加热源处温度上升的越快，图像越陡，且上升速率随时间增加先增大后减小，最终趋于加热源的温度。对于不同材料，如何调整加热时间，以使不同材料间的温度分布曲线相同。由温度场解析式可知，对于两种不同材料1、2，假定其初始温度和激光加热温度相同，假设两者的热扩散率与加热时间满足，那么对于任意一个，都有从而，即两种材料的激光加热温度场完全相同。以铝、铜、铸铁为例，并规定铝金属棒加热5min，即，那么根据以上不同加热时间绘出三种金属加热后温度场曲线如下：程序如下由上图可见三种金属温度场分布曲线几乎完全重合。因而证明对于n种不同材料在加热时间如果满足在相同条件激光加热后所得的各个温度场分布也会完全相同。二．一维情况导热系数变化有相变的固态问题研究1.根本情况概述以Fe为例可以查资料得912℃以下为相912℃—1394℃间高于1394℃为相现假定初始温度为25℃，激光加热温度为1300℃，即只在相和相之间转换。那么当铁棒温度上升到912℃时由相转换为相。两种相的热扩散系数分别为：2.有无相变情况温度场曲线比照分别加热时间为1min、3min和10min两条曲线比照方下：加热1min时程序如下：总结：从图像中可以看出，当考虑相变后，图像有明显的转折点。分析如下，假设不考虑相变，即始终为相，那么在任意时刻其温度场分布曲线都是平滑的，而假设考虑相变，由于不同相的热扩散系数不同，导致其相变点处曲线不平滑。分析该曲线可知考虑相变情况下，相变点左侧为，右侧为，且左右两侧分别都平滑，唯一在相变点处突变。另外从图像可以看出，由于比的热扩散系数小，因此开始时考虑了相变的曲线温度场上升较慢，在相变点后，离热源越远，考虑了相变的温度场上升越快。2.在考虑相变的情况下加热不同时间温度场曲线比照每条曲线都有明显的相变点，比照该曲线与不考虑相变时加热曲线可知，在考虑相变情况下温度的分布情况根本与不考虑相变时一致，都随加热时间的增加而上升，区别只是在于考虑相变时会存在相变点。参考文献[1]蔡敏，陈金玉，单脉冲激光加热下金属材料的非线性温度场研究[J]，辽宁大学学报，2001,28(