【《温度场仿真理论基础综述》1600字】

温度场仿真理论基础综述对于此过程的仿真研究，本文构建了较为合理的激光冲击强化过程中对于石墨涂层和金属靶材的烧蚀模型和连续加热激光器温升模型。对于石墨涂层的烧蚀过程和连续加热激光器的加热过程进行数值仿真研究，为方案设计和实验过程提供可靠的数值指示，同时对指导之后此方面的研究与设计具有积极的意义。1.1材料对于激光能量的吸收激光照射到金属表面时，激光的光能会转化为金属内部自由电子的动能，金属内部自由电子的碰撞转化为金属内部的热能，这个过程发生的时间极短，同时激光能量传播是从金属材料的表层向金属内部传播。因此金属材料对于激光能量的吸收过程可以简化为典型的传热模型。即存在温度差的物体之间会出现热量的传递现象，热传递的方式有三种，分别为热对流、热传导和热辐射。激光辐照到材料表面其能量去向可以分为三部分。一部分能量被材料表面直接吸收，这部分能量记为,一部分能量照射到材料表面被反射，这部分能量记为,一部分能量发生了透射，这部分能量记为，因此，根据能量守恒定理可以得到： (2-6)式中，为激光的总能量。将上式均除以总能量，可以得到： (2-7)式中，为材料对激光的吸收率，为激光的反射率，为激光的透射率。在本文中，由于激光照射的材料为铝合金和石墨，激光在这种不透明的材料中的透射率极低，所以不考虑激光的透射。因此： (2-8)对于本文中的铝合金材料，其在高温时对于激光能量的吸收率会随着温度变化有所不同，可以采用公式[36]来表示其对于激光的吸收率，其表达式为： (2-9)其中R代表铝合金材料的电阻率(Ω∙m)，代表电阻温度系数(℃−1)，L代表激光束的波长(m)，T代表温度(℃)而激光在空间的能量分布通常符合高斯分布，其表达式为： (2-10)公式中，代表激光在空间中的能量分布情况，r指该点距离光斑中心的距离，表示材料对激光能量的吸收率，表示激光的功率密度，一般，其中P代表激光器输出的功率，代表激光器输出光斑的半径大小。1.2传热理论热传导、热对流和热辐射三种传热方式中，热传导主要是指在固体之间的传热方式。由于物体的内部存在温度差，热量会从温度高的区域向温度低的区域传播。一般采用傅里叶定理来描述热传导的过程，可以建立在三维模型中的传热过程为： (2-11)公式中，、、分别代表材料的密度、比热容和导热系数，、、分别代表沿着导热方向的温度变化率。Q为材料吸收的热量，T为材料的温度。热对流是指通过流动介质的流动过程来进行热量转移的过程，对流换热可以分为强制对流和自然对流两个方面。热对流过程中一定时间通过一定面积和一定质量的流体由温度的地方流动到处，牛顿冷却定理描述了这个过程： (2-12)该公式中,h代表对流换热系数，代表固体表面的温度，代表流体表面的温度。A代表换热面积。热辐射是指任何温度高于-273℃的物质都会向外辐射热量的现象，温度越高，辐射出来的能量就越大，热辐射的公式为： (2-13)该公式中，和分别指的是两个辐射面的温度，为表面发射率，为斯特藩-玻尔兹曼常数，该常数的值约为。1.3激光作用于材料的能量模型对于激光热源的功率密度，可以简化为均匀分布的热源和非均匀分布的热源，均匀分布的热源较为简单，其平均功率密度为，该式中P为激光束的功率，为光斑的面积大小，本文中对于激光束的功率密度分布采用高斯热源,其在空间中的分布公式可以表示为: (2-14)该公式中， (2-15)其中r为激光光斑的半径，和指的是激光作用的位置。结合以上公式，本实验中使用的Nimma系列Nd:YAG激光器，其形成激光束能量分布服从高斯分布，其功率密度函数应该为： (2-16)该公式中P为脉冲激光器的功率，为高斯函数的标准差，其中，r为激光器工作时输出的光斑的半径，和指的是激光器工作时作用的位置。综合考虑激光在对材料作用的各个方面，包括热传导、热辐射和热对流，可以得出激光照射到材料表面的基本方程为： (2-17)此方程中，、、分别