10-6-10-4m2/s黏度液体中靶受力学作用的测试与分析

通过自行研制的光纤传感器对不同黏度液体中材料靶后的力学作用进行研究,获得了液体黏度变化对等离子体烧蚀力、射流冲击力及空泡生存周期的影响. 实验结果表明:液体黏度相同时,靶材所受冲击力幅值随作用激光能量的增加单调上升;液体黏度增加时,靶材所受的冲击力减小,靶材的空化空蚀程度亦减小;受液体黏度增大的影响,空泡膨胀或收缩过程减缓,相应的生存周期也增大. 此外,对空泡溃灭周期公式进行修正,结果表明修正后的理论估算值与实验值的一致性较好.     

10－6—10－4m2/s黏度液体中靶受力学作用的测试与分析

通过自行研制的光纤传感器对不同黏度液体中材料靶后的力学作用进行研究，获得了液体黏度变化对等离子体烧蚀力、射流冲击力及空泡生存周期的影响. 实验结果表明：液体黏度相同时，靶材所受冲击力幅值随作用激光能量的增加单调上升；液体黏度增加时，靶材所受的冲击力减小，靶材的空化空蚀程度亦减小；受液体黏度增大的影响，空泡膨胀或收缩过程减缓，相应的生存周期也增大. 此外，对空泡溃灭周期公式进行修正, 结果表明修正后的理论估算值与实验值的一致性较好.     

用于瞬态力学量测试的光学传感器设计及应用

基于光纤耦合反射式光束偏转法,提出了一种可用于瞬态力学量测试的光学传感器,并详细给出了该测试机理.采用该传感器,在靶材对心处实时检测到由于空泡在固体靶材附近溃灭时射流冲击力引起的靶材瞬态微小变形.通过对该传感器定标可以进一步得到作用冲击力大小.这种传感器的应用将有助于了解激光诱导产生空泡射流运动特性及其对靶材的损伤机制.     

激光空泡在文丘里管中运动的动力学特性

以水为工作介质,在不同文丘里管入口压力下,利用YAG激光器产生的激光轰击水中的金属靶材产生空泡,借助高速摄像系统记录激光空泡在文丘里管中的运动过程,并采用流体动力学模拟对文丘里管中的流场特性和空泡的溃灭特性进行分析.结果表明:激光空泡在文丘里管中的运动,其形状变化可分为产生阶段、挤压阶段、溃灭初始阶段和溃灭阶段等四个阶段.空泡的溃灭取决于流场状态,当流动为层流时,空泡不发生溃灭;当流动为湍流时,空泡发生溃灭,且湍流程度越剧烈,溃灭现象越显著.搭建的激光空泡生成与运动系统能够实现空泡的定点溃灭.     

壁面附近激光空泡溃灭的空蚀特性

为分析空泡在壁面附近溃灭导致的冲击波和射流特性,提出将激光空化、高速摄影技术应用于激光空泡的空蚀研究。建立了壁面附近激光空泡的产生、微调控制及高速摄影测量实验平台。采用高速摄影技术对不同液体、不同γ参量条件下空泡脉动的外形特征、溃灭冲击波和溃灭射流等参量进行了测量。结果表明,壁面的存在弱化了空泡溃灭时的收缩程度,空泡溃灭时的冲击波和射流对壁面的破坏作用存在着此消彼长,相互竞争的关系;空泡在壁面附近脉动时,回弹泡的溃灭对壁面也可产生较强的破坏作用;液体的粘性增大有助于空泡表面维持稳定,减缓空泡溃灭时泡壁的运动速度。     

激光空泡在刚性壁面附近空蚀特性

采用脉冲激光聚焦于透明液体中产生单个激光空泡,利用高速相机拍摄空泡在透明液体中整个运动过程,并对刚性壁面造成的空蚀现象进行了观测.实验研究发现,空泡溃灭将产生高速冲击波和高速射流,这是造成刚性壁面损伤的两种主要原因.空泡与刚性壁面的无量纲距离在0.4～1.4之同时,刚性壁面首先受到高速冲击波的破坏,由于空泡的趋壁效应,空泡在第二次收缩过程中将在壁面附近对实验靶材产生高速微射流的空蚀破坏.且这两种作用机制在无量纲距离为1.0时,高速微射流对壁面的空蚀效果更加明显.     

圆锥边界附近激光空泡溃灭行为的研究

为了研究刚性圆锥边界锥角对激光空泡溃灭行为的影响,文章建立了虚拟平面边界模型, 同时采用阴影摄影术、光偏转法以及数值计算的手段对边界附近空泡溃灭过程进行了研究. 结果表明边界的锥角对空泡的形状、溃灭时间以及液体射流形成均有明显影响. 空泡形状偏离球形的程度和溃灭时间均随锥角的增大而增大,且增大锥角度可以促使射流的形成. 空泡溃灭时间的实验值同理论值具有较高的一致性,验证了虚拟平面边界假设及无量纲距离修正的有效性.     

激光空泡溃灭及其产生的声波

强激光脉冲在水中的自聚焦传输、成丝、击穿及击穿后产生的声波,近年来成为强激光脉冲传输应用研究领域的一个热点。强激光脉冲电离产生的空泡在溃灭过程中,对周围水体产生压缩,从而在水下产生声波。在现有理论基础上,考虑空泡含气量、水的粘滞系数和水的表面张力系数对空泡运动及其产生声波的影响。给出双空泡运动方程,分析空泡间距对空泡溃灭和其产生声压关系。根据实际情况,计算不同温度情况下单空泡和双空泡运动过程及其产生的声压,并进行相互比较。计算结果表明: 水温越高,空泡运动时达到的最小半径越小,空泡振荡周期和溃灭时间延长,产生声压越高。随双空泡间距减小,空泡溃灭时达到的最小半径线性减小,而其产生的最大声压则单调增大。     

同步双脉冲激光致声研究

利用高速摄像机拍摄了同步双脉冲激光聚焦击穿水介质产生激光空泡的运动过程。分析了该条件下产生的四种典型激光声信号特性,初步计算了光声能量转换效率。研究结果表明:通过调节脉冲激光的能量差,可以控制激光声信号峰值间隔,提高激光声信号脉宽;两空泡之间无量纲距离为1.5时,溃灭过程中出现融合现象,融合过程中空泡热力学能转化为机械能,融合后形成的单个空泡能量变大,其溃灭产生的激光声信号主频降低;同步双脉冲激光聚焦击穿情况下的光声能量转换效率为6%~10%。     

水中激光击穿空泡的高速摄影研究

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子腔体、空泡脉动、近/远场声波特性等综合效应,将高速摄影技术应用于水下激光击穿研究.观察到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭过程,通过对所得照片的分析,得到了激光空泡生长的规律,实验结果与已有的水下空泡理论计算及采用光散射、压力传感器测量结果吻合较好,证明了高速摄影技术在水下激光击穿产生空泡特性研究中的重要作用.     

固壁面附近激光产生空泡脉动过程的实验研究

采用自行研制的光纤传感器研究了激光等离子体空泡在固壁面附近的脉动特性。实验获得了激光空泡三次膨胀到最大位置对应的波形图;并据此判定了激光空泡在脉动过程中对应的最大泡半径和溃灭周期;在此基础上结合空泡溃灭理论,计算了激光泡溃灭周期的延长因子κ。结果表明:随着脉动次数的增加,最大泡半径依次减小;随着作用激光能量的增大,最大泡半径,空泡溃灭周期的延长因子κ均增大;而无量纲参量的增大将导致延长因子的减小。所得到的延长因子同样可用于无限域流场。     

光击穿液体空泡特性的高速图像测量

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究.采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射.通过对激光空泡图像序列的分析,得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

纳秒激光在铜靶材中诱导冲击波的实验研究

基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.     

环境压强对空泡脉动特性的影响

基于空泡生长和溃灭理论分析不同环境压强对空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径、膨胀与收缩速度的影响.同时,利用高功率激光与液体物质相互作用产生空泡,采用高速照相机、高频测量水听器实验研究不同环境压强下液体中空泡运动规律,并将实验结果与计算结果进行对比.结果表明:环境压强对空泡脉动特性有较大影响.相同激光能量击穿液体介质时,随着外界环境压强的增加,空泡脉动周期呈现递减趋势;空泡第一次脉动的最大泡半径同脉动周期的变化趋势一致,且数值由快到慢递减;随着外界压强的增加,空泡溃灭的速度越快.随着压强的增大,空泡膨胀与收缩更为剧烈,持续时间更短.     

热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析

研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先,基于逆轫致吸收理论,建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型;然后,基于磁流体理论,得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程,建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后,对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时,靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明:等离子体的形成,对激光形成了明显的热阻塞效应,削弱了激光对靶材的烧蚀作用,使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。     

水中薄片激光打孔反常现象的分析

 在其它条件相同的情况下，水中激光在金属薄片上的打孔效率远高于空气中的打孔效率。采用自行研制的基于光偏转原理的力学传感器，分别测量了激光在空气和水中烧蚀薄片时薄片表面所受的力。实验结果表明，激光在空气中烧蚀薄片时，靶材仅受到烧蚀力的作用，而在水中打靶时，靶受到烧蚀力和两次射流冲力等综合作用，且水中的三次冲力在幅值和持续时间均远大于空气中靶材所受的冲力，并用扫描电子显微镜观察了孔的形貌，进而分析了水下激光打孔效率远高于空气中打孔效率的机制。     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

含气量对激光空泡在刚性壁面空蚀的影响

采用强脉冲激光器设计液体环境下刚性壁面空蚀实验平台,改变液体中含气量,利用高速相机观察不同含气量条件下激光空泡在壁面附近的脉动过程,并对刚性壁面造成的空蚀结果进行了观测。实验研究发现,随着液体中相对空气含量的提高,激光空泡脉动的最大尺寸增大,空泡的膨胀运动变剧烈,溃灭运动速度降低,空泡的溃灭强度降低,从而影响到溃灭冲击波和壁面微射流对刚性壁面的冲击速度,减弱了壁面空蚀,而液体中含气量的提高能够降低激光空泡对刚性壁面的空蚀程度。     

激光烧蚀水下金属产生冲击波和空泡效应的研究

采用自行研制的高灵敏度光束偏转测试系统,对脉冲激光烧蚀水下金属产生的等离子体冲击波和空泡效应进行了实验研究。实验得到了激光等离子体冲击波的传播规律、冲击波与激光空泡的分离过程、空泡的脉动特性以及空泡溃灭冲击波的形成机制。结果表明,空泡最大和最小泡径、振荡周期均随着脉动次数的增加呈减小趋势,且减小幅度较大。最小收缩泡径由泡能和腔内含气量共同决定。在同一次脉动过程中,空泡膨胀所需的时间明显大于收缩所需的时间。     

激光烧蚀硬铝产生等离子体温度和力学效应测量

 为了研究激光推进技术中激光与材料相互作用的机制，获取等离子体状态参数及力学参数，采用Nd:YAG被动调Q固体激光器烧蚀硬铝，通过激光诱导等离子体光谱技术测得等离子体光谱和温度，由冲量摆测得力学参数。实验结果显示：在激光功率密度0.534×10⁸ W/cm²时，靶材表面的等离子体温度在等离子体辐射过程中呈二次曲线衰减；改变靶材等离子体点燃阈值附近的激光功率密度时，随着功率密度的增加，等离子体温度、冲量耦合系数也随着增大，当功率密度达到靶材的等离子体点燃阈值时，各参数达到最大，此后随着功率密度增加，由于等离子体对能量的屏蔽作用，导致靶材表面的等离子体温度降低，等离子体获得的动能减少，靶材耦合的冲量降低。