高速目标激光辐照温升效应仿真研究
武汉民政职业学院-二级建造师挂靠协议
第２７卷第４期
文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０４—０２７１一ｏ４
计算机仿真 ２０１０年４月
高速目标激光辐 照温 升效应仿真研究
杜太焦，束
庆邦，陈志华，张相华
（西北核技术研究所，陕西西安７１００２４）
摘要：为了研究目标
高速运动情况下，高速气流对流换热对激光辐照效应的影响，通过编制了高速目标激光辐照温升效应仿
真程序。考虑了对流换热因素和材料参数随温度的变化。为了保证仿真结果的可信性，从理论和实验两方面对仿真
模型的
算法和参数进行了验证。仿真计算结果表明，对流换热在一定程度上减弱了激光辐照下材料的温
升效应，但针对激光辐照
下的其它效应，对流换热的影响程度与具体应用有关。
关键词：高
速目标；激光；辐照效应；数值仿真
中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｓｔｕ
ｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔｓ
ｏｆ Ｈｉｇ
ｈ Ｓｐｅｅｄ Ｔａｒｇｅｔ Ｌａｓｅｒ
ＤＵ Ｔａｉ—ｊｉａｏ，ＳＨＵ Ｑｉｎｇ—ｂａｎｇ
，ＣＨＥＮ Ｚｈｉ—ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｈｕａ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉ
ｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａｎｘｉ ７１００２４，Ｃｈｉ
ｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕ
ｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｌａｓｅｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ ｈ
ｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔａｒｇｅｔ，ａ ｓｉｍ—
ｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｄｅ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ
ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｃ
ｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈＪ｝ｓｈ ｓｐｅｅｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎ—
ｃｏｎ
ｓｔａｎｔ ｍａｔｔｅｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖａ
ｌｉｄａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍ
ｅｎｔ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ
ｉｔｓ ｃｒｅｄｉｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓ
ｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｌｏｗ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｃａｎ
ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ａ
ｃｅｒｔａｉｎ ｅ
ｘｔｅｎｔ，ｂｕｔ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｒａｄｉａｔｉ
ｏｎ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ａ
ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ
ｔａｒｇｅｔ；Ｌａｓｅｒ；Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉ
ｏｎ
参数都采取了简化处理，即认为这些参数的值是固定的，目
１ 引言
激光辐
照效应是激光技术应用领域内的一个重要研究
方向 』，很多效应都是由于激光辐照下目标的温升而引
起
的 Ｊ，因此对激光辐照下目标温升效应进行研究是激光辐照
效应研究的基础。近年来，
随着激光技术的发展，激光对高
速运动目标的辐照效应越来越受到重视 。相对于静止目
的
是为了简化数值仿真程序的编写。实际上目标材料物性
参数是随温度变化而变化的，考虑这种变化因素
虽然会增加
控制方程的求解难度，但将会使仿真计算结果更加可信。在
本文中，基于Ｍａｔ
ｌａｂ的ＰＤＥ工具箱，重新开发了激光辐照目
标温升效应的数值仿真程序，该程序考虑了高速气流对
流换
热效应和目标材料物性参数随温度的变化，并且使用此仿真
程序对高速运动目标激光辐
照温升效应进行了研究。
标，运动目标激光辐照效应中必须考虑高速气流的对流换
热。如果
要通过实验的手段来对其进行研究，则只能通过真
实的高速运动目标或风洞来进行，这需要大量的投入
，因此
２激光辐照高速目标温升效应物理模型【１儿纠
在实际应用中，大多数目标都是由金
属材料构成的。当
一
在先期首先通过数值仿真技术，对其进行规律性研究应该是
一
种可行的研究思路。
束激光辐照到金属目标表面时，一部分激光被反射，另外
部分
激光会在目标表面很薄的一个薄层内被吸收。表面
当前针对静态情况下激光辐照目标温升效应的数值仿
真已有大量的研究 Ｊ，但对高速运动目标的仿真研究报道却
一
吸收的激光能量会
以热传导的方式向目标内部传递，同时目
标表面的能量还会以对流的方式传递到周围的空气中。通 <
br>过以上简要描述可知，激光辐照目标温升效应所需要考虑的
物理问题包括目标对激光的反射、目
标对激光的吸收、目标
一
很少。另外现有的大部分数值仿真程序中对目标材料物性
收稿日期：２００８—１０—２７修回日期：２００９—０３—１０
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