激光熔蚀金属平板的三维有限体积法数值分析

为了研究气流条件下强激光对金属靶的熔蚀效应,采用有限体积方法建立了数值模型,并开发了三维Fortran计算程序。综合考虑强激光与材料耦合规律、光束能量空间分布、材料高温热物理性能以及熔蚀界面移动等关键影响因素,模拟了激光辐照下金属靶板升温、熔化和剥蚀的复杂物理过程。最后,将计算结果与试验数据进行了比较,验证了计算模型和程序的有效性。结果表明,计算模型能够反映强激光熔蚀金属平板的基本规律,熔蚀深度和后表面温度计算值与试验吻合较好,并且自编计算程序简单高效。     

数值求解瞬态温度场的有限体积法

本文介绍了求解三维瞬态热传导的有限体积法,给出了控制方程和数值方法。通过一些算例对该方法进行了验证,数值试验结果表明该方法计算稳定、可靠。     

间断解问题的有限体积法

有限体积法（FVM）是集有限差分法和有限元方法之优点而发展起来的一种新的数值方法,首先利用守恒问题给出FVM的基本概念和基本过程,接下来就间断解问题的求解进一步介绍了FVM的一些比较活跃的构造方法,并给出了用其中几个方法模拟二维溃坝问题的数值结果,然后按问题分类介绍了FVM数值方法和实际应用的进展,最后给出了FVM理论分析的一些进展。     

空间差分格式对有限体积法数值散射的影响

数值散射是辐射传递方程近似算法中最常见的离散误差。本文主要讨论空间差分格式对有限体积法数值散射的影响。构造激光平行及倾斜入射的物理模型,验证和比较阶梯格式、中心差分格式及指数格式下温度场的计算精度及数值散射特性。计算结果表明,在激光平行入射与倾斜入射两种情况下,阶梯格式引起的的数值散射比菱形格式及指数格式要多,但其计算精度高于菱形及指数格式。不同激光入射条件下,各种差分格式表现出的数值散射分布有明显的差异。     

基于有限体积法数值模拟双撕裂模非线性演化

以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组。编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响。为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法。     

三维多介质欧拉有限体积格式的混合算法

对于多介质欧拉方法，混合网格物理量的计算是其难点和关键点之一。这里提出的方法是运用Yonugs界面重构技术确定出混合网格内物质的界面，界面确定后，混合网格内每一部分可能是非规则的四面体、五面体、六面体或七面体，采用对非规则区域适应性很强的有限体积法对每一部分分别进行计算。这种方法虽然比较复杂，但是它兼有拉氏方法的优点，因此计算出的混合网格内每一部分物质的物理量比较精确。     

谐振管内非线性驻波的有限体积数值算法

为了扩展谐振管内非线性驻波在工程中的应用, 以及克服现有数值计算方法仅局限于求解直圆柱形和指数形谐振管内非线性驻波的问题. 根据变截面的非稳态可压缩热黏性流体Navier-Stokes方程和空间守恒方程, 并基于求解压力速度耦合方程的半隐式算法和交错网格技术, 构建一种能够计算任意形状轴对称谐振管受活塞驱动时内部非线性驻波的有限体积算法. 分别对圆柱形、指数形和圆锥形谐振管内的非线性驻波进行仿真计算. 通过与现有试验结果以及数值仿真结果的对比, 验证了该方法的正确性.并获得除驻波声压之外的另外一些新的物理结果, 包括速度、密度、温度的瞬时变化.在直圆柱形谐振管内产生冲击声压波, 速度波形中出现钉状结构.而在指数形和圆锥形谐振管内产生高声压幅值的驻波, 没有出现冲击波, 速度波形中均未发现钉状结构. 计算结果表明谐振管内非线性驻波的物理属性与谐振管形状之间有密切关系.     

基于样条逼近有限体积法的通量分裂算法

研究了任意曲线坐标系中求解双曲型守恒律的高精度、无波动样条逼近有限体积方法,比较了三种不同的通量分裂技术在这种方法中的应用。数值实验表明,在不同的通量分裂技术下,该方法对流场中的激波和接触间断都有很高的分辨率。     

激光熔蚀-电感耦合等离子体质谱法测定底泥沉积物中的总汞

采用激光熔蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)测定了底泥沉积物中的总汞,沉积物样品经高压压坯后直接进行激光熔蚀测定,并对内标选定、样品粒度以及汞的形态等影响因素进行了研究,以2个底泥标准样和1个土壤标准样的测定结果来绘制标准曲线,并用于实际样品的测定,方法简便实用,测定结果与同位素稀释冷蒸气发生ICP-MS法十分吻合,方法检出限为0.02 mg·kg-1,测定速度可达每小时10样。     

摄动有限体积法重构近似高精度的意义

研讨有限体积(FV)方法重构近似高精度的作用问题.FV方法中积分近似采用中点规则为二阶精度时,重构近似高精度(精度高于二阶)的意义和作用是一个有争议的问题.利用数值摄动技术[1,2]构造了标量输运方程的积分近似为二阶精度、重构近似为任意阶精度的迎风型和中心型摄动有限体积(PFV)格式.迎风PFV格式无条件满足对流有界准则(CBC),中心型PFV格式为正型格式,两者均不会产生数值振荡解.利用PFV格式求解模型方程的数值结果表明:与一阶迎风和二阶中心格式相比,PFV格式精度高、对解的间断分辨率高、稳定性好、雷诺数的适用范围大,数值地"证实"重构近似高精度和PFV格式的实际意义和好处.     

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。     

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。     

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-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。     

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。     

A finite volume method for approximating 3D diffusion operators on general meshes

A finite volume method is presented for discretizing 3D diffusion operators with variable full tensor coefficients. This method handles anisotropic, non-symmetric or discontinuous variable tensor coefficients while distorted, non-matching or non-convex n-faced polyhedron meshes can be used. For meshes of polyhedra whose faces have not more than four edges, the associated matrix is positive definite (and symmetric if the diffusion tensor is symmetric). A second-order (resp. first-order) accuracy is numerically observed for the solution (resp. gradient of the solution).     

Coloration of a metal surface under pulsed laser irradiation

The regimes of irradiation using nanosecond laser pulses for creation of color images on stainless-steel and titanium surfaces upon laser engraving are studied. Parameters of radiation that correspond to the spectrum of resulting colors on the sample surface are experimentally determined. The spectral analysis of the irradiated area is performed and probe microscopy is used to study the surface relief. Complicated surface relief that results from irradiation indicates the contribution of several optical effects responsible for the surface color under laser engraving.     

外部流场对激光加热运动目标影响的数值模拟

 考虑激光与运动目标相互作用的基础上,利用有限元方法分析了亚声速条件下运动目标在激光辐照全过程的温度场和热应力场的分布与演化规律。结果表明：高速流场的存在,导致了明显的冷却效应;加热过程中目标材料出现了屈服,导致激光熄灭后结构内出现残余应力和变形;激光辐照区边缘产生很高的温度梯度和应力梯度,并且由于气流影响,受辐照区域前后两端应力分布不对称。     

复合材料层合板在激光辐照下的应变测试与分析

对T300/AG80碳纤维复合材料层合板在激光辐照下的应变变化情况进行了测试。利用动态应变仪对不同半径激光光斑照射下的试件正面和背面的0,45,90三个方向的应变进行记录,通过对消除温升影响后的试验数据进行分析得知：各处应变随测试点到光斑中心的距离增大而减小;0方向应变最小,90方向应变最大,光斑辐照层合板5 s时,90方向应变值至少是0方向应变值的1.5倍。采用有限元分析软件对试验过程进行模拟,光斑外各处热应力随其到光斑中心距离的增大而减小。将模拟中得到的应变与试验过程中的测试值对比,得到温升影响造成的最大相对误差为16.9%.     

高速气流中激光加热平板数值模拟与分析

 采用流固耦合方法,数值模拟了高速流场中激光作用下来流速度对平板温度分布的影响。结果表明:无激光辐照时,高速气流中平板有较高的气动生热平衡温度,且平板-气流之间的换热系数随来流速度增大而增大;在平板前沿换热系数增长最快,沿平板长度方向增速趋于平缓。分析了激光辐照时高速气流中激光加热平板的温度分布情况,考察了来流速度不同时,气动生热、散热和激光辐照对平板温度的影响,给出了激光辐照后的温升情况和温度分布,分析了在不同速度来流下,对流散热、摩擦生热和激光加热之间的竞争关系,结果表明,平板温度具体分布主要是加热过程竞争的结果。