激光与固体靶面烧蚀等离子体的能量耦合计算

 强激光辐照下固体靶表面迅速汽化产生靶蒸气等离子体,激光穿过等离子体区到达固体靶表面的过程就是激光束与等离子体的能量耦合与交换过程。采用具有五阶精度的WENO差分格式和简易等离子体状态方程模型对激光与等离子体相互作用的复杂物理过程进行了数值计算,分析了激光束能量在等离子体区中的吸收、屏蔽效应等动态耦合规律以及激光支持等离子体前驱冲击波传播。数值模拟结果表明：激光能量是支持靶面等离子体运动的唯一原因,能量屏蔽效应对激光与等离子体能量耦合有很大影响,通过控制激光脉冲宽度,可以合理调节屏蔽效应的影响。     

激光支持等离子体流场的2维动态数值模拟

 采用高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式,给出了高温气体状态方程的简便描述,并考虑激光与等离子体的相互作用和能量耦合模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程,并同理论模型结果进行了比较。结果表明：不考虑2维膨胀效应的理论模型结果比2维数值计算结果偏大,但两者只有接近一倍的差距,并无数量级的差别。考虑了膨胀效应的2维数值计算结果是可信的。     

由强激光产生的烧蚀等离子体随时间演化的数值模拟

采用单流体模型描述由强激光产生的烧蚀等离子体,并用具有五阶精度的广义Godunov差分格式——加权本质无振荡格式对该模型进行离散化,考虑激光与等离子体相互作用和能量耦合,数值模拟强激光与固体靶相互作用时产生的烧蚀等离子体随时间演化的物理过程,给出数值模拟结果,并对其进行分析和讨论.数值模拟结果表明,激光能量在靶面等离子体中被强烈吸收,激光支持LSD(Laser Supported Detonation)波速度约为理想LSD波速度的一半.     

真空环境下激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的数值模拟

 通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合较好。计算结果表明,在等离子体的情况下冲量耦合系数随着激光强度增大而减小。     

纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低. 关键词： 激光烧蚀 冲量耦合 等离子体     

真空环境下激光与固体靶冲量耦合的机理分析和数值模拟

在准真空环境下，采用高功率密度的调Q-Nd:YAG激光照射固体铝靶表面，测量了不同入射激光强度下气化靶物质对靶的冲量.通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理，采用流体力学理论和三维有限差分的计算方法，对不同激光强度情况下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟，将模拟计算所得结果与实验测量结果进行了比较和分析，进而对实验结果进行了解释.由数值模拟结果与实验结果的一致性可见，本文采用的模型能反映激光作用下固体靶力学响应的物理过程.     

二维三温能量方程的差分格式及平面靶数值模拟

通过统一二维直角坐标与柱坐标下三温能量方程的差分格式,实现了LARED-H(laser radiationelectron dynamic holehurm)程序既可以模拟正入射激光平面靶过程,也可模拟斜入射平面靶问题,从而扩展了LARED-H程序的功能.使用发展后的LARED-H程序进行了直角坐标系下线聚焦打靶耦合过程数值模拟,给出了不同入射角度下靶等离子体的膨胀过程.     

靶结构对烧蚀模式激光推进效应影响的数值模拟

 强激光辐照于固体平面靶产生高温、高压等离子体喷射,进而对固体靶产生力学推进效应,这是烧蚀模式激光推进的基本原理。采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory Schemes）,对强激光烧蚀固体靶产生等离子体喷射推进效应进行数值模拟。计算了固体靶面横向尺寸与激光光斑大小对推进效应影响的耦合关系,以及不同靶面结构烧蚀压力随时间的变化及其推进效应参数变化。数值模拟结果表明,靶面横向尺寸与光斑大小具有最优耦合值;固体靶面增加约束喷管结构对激光推进效应明显增大,并且随着约束喷管位置的不同,对激光推进效应增大的影响也有较大差异。     

脉冲宽度对准单能质子能量的影响

使用1维粒子模拟程序LPIC+模拟了不同脉冲宽度的P极化超短强激光脉冲与稠密冷等离子体靶的相互作用.模拟结果表明:激光有质动力首先推动表层等离子体形成无碰撞激波,然后激波向靶内传播,俘获靶内的质子并将其反射加速,反射质子的速度约为离子声速的2倍.当使脉冲宽度与靶厚互相匹配时,也就是靶厚等于离子声速与激光脉冲宽度的乘积时...     

激光等离子体动量转换效率的实验研究

强激光与固体靶相互作用时，产生的高速喷射的等离子体对靶具有强烈的反冲作用，因此，激光等离子体可以作为一种新型的推进动力源.与传统的化学燃料推动相比，激光等离子体具有较高的比冲和有效载荷比等特点.对纳秒激光脉冲与铝、石墨、铅和碳氢靶相互作用时，等离子体对靶的冲量进行了实验测量，研究了大气与真空环境下的靶动量与激光聚焦面积的关系，并对部分实验结果与理论计算的数值进行了比较.实验结果显示，大气与真空环境下的靶动量有很大的差异，并且真空下的靶动量受材料性质的影响较大，与以往长脉冲激光的实验结果有很大的不同. 关键词： 激光等离子体 动量 动量耦合系数     

激光辐照高超声速舵面热力响应研究

建立了基于流固耦合的高超声速飞行器舵面结构在激光辐照下静气动弹性模型,流体控制方程为三维雷诺平均N-S方程,分别采用了中心格式和AUSM+up格式对粘性项和对流项进行空间离散,时间推进采用了高斯-塞德尔隐式推进方法,湍流粘性系数求解使用Menter SST模型。利用冯·卡门研究所高超风洞实验结果对模型进行了校核,预估了激光辐照对高超舵面的热力影响。结果表明,气动力/热计算模型与实验数据符合较好,能够准确模拟高超飞行器的热力参数,根据模型外推结果,激光在较低功率下加热高超飞行器舵面可能导致舵面材料弹性模量大大降低,继而发生弯曲发散而折断,高超飞行器可能因此发生气动失稳而坠毁。     

局域能量注入对高超声速进气道流动影响研究

研究了局域能量脉冲注入条件下高超声速进气道流场的扰动情况。数值模拟采用三维雷诺平均N-S方程,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解,采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟。开展了高超风洞平板流场能量注入实验,获取了高速纹影图像,并对实验结果与计算结果进行比较。研究表明,能量注入产生的冲击波能与高超流动产生的斜激波发生强烈干扰,脉冲能量的引入可能引起高超声速进气道流量俘获率产生剧烈震荡,从而导致进气道流场的性能急剧下降。     

光学窗口外形对气动光学效应的影响

 流场求解采用3维雷诺平均N-S方程,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解,采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟。采用几何光学结合物理光学方法分析平均流动和湍流对光场的影响。计算结果表明:由于窗口外形曲面的曲率不同,两种窗口外部流场存在较大区别,气流速度、密度的分布情况各不相同。曲率较大的窗口外形对气流的压缩程度较大,导致气流绕过窗口顶端中心区域时流速快,密度梯度大,因而窗口空气阻力较大,光束在该窗口流场中传输受气流影响的影响也较大。     

激光加热金属板流固耦合数值模拟

 数值模拟研究了气流和激光辐照双重作用下的金属平板温度场。流体控制方程为3维雷诺平均N-S方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用动网格模型模拟气流的“冲刷效应”,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到金属平板的温度分布及流场分布。结果表明:在较低气流速度及激光功率下,气流的冷却效应占主导地位;当气流速度和激光功率上升到一定程度后,气流的“冲刷效应”和冷却效应共同决定金属平板的温度分布。     

Effect of vapor plasma on the coupling of laser radiation with aluminum targets

The effect of vapor plasma on thermal and impulse coupling of laser radiation with aluminum targets is studied to understand and explain experimental data showing anomalously high coupling to 10.6 μm laser radiation. Heating of vapor by inverse bremsstrahlung absorption of laser radiation, subsequent reradiation in the u.v. and deep u.v. by ionized species, and vapor layer growth are modeled. A computer code has been developed to solve the governing equations. Major conclusions include the following: (a) vapor plasma radiative transport can be an important mechanism for laser/target coupling, (b) aluminum vapor (density × thickness) ≈ 10¹⁷ cm^-2 (corresponding to about 0.01 μm of target material) can result in thermal coupling coefficients of 20% or more, and (c) too much vapor reduces the net flux at the target.     

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。     

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟RAE2822翼型绕流

应用Gao-Yong可压缩湍流模式,数值模拟RAE2822二维翼型在两种不同来流情况下的跨音速粘性绕流问题.湍流模式的对流项用ROE格式离散,扩散项用中心差分格式离散,空间离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显式时间推进格式求解.计算结果预测了翼型表面的压力系数的分布、平均速度剖面、激波的位置、马赫数等值线等情况.同时,对翼型表面激波与边界层相互干扰以及转捩问题进行分析计算,结果表明,Gao-Yong可压缩湍流模式结合适当的数值方法能够成功地模拟翼型跨音速粘性流动.最后,基于Gao-Yong可压缩湍流模式各项异性湍流粘性的机理,初步提出一种预测转捩起始位置的方法.     

高速气流作用下激光加热金属平板数值模拟

数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场。流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌。分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像。