考虑非傅立叶效应的固液相变分子动力学模拟

采用耦合双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光照射金箔的固液相变过程进行了模拟研究,利用序参数法对固液原子进行判定从而确定了金箔发生相变时的固液界面位置和温度,对基于傅立叶定律的抛物线模型和考虑非傅立叶效应的双曲线模型模拟得到的结果进行对比分析,在此基础上采用耦合双曲线模型的分子动力学方法研究了激光能量密度和脉冲宽度对金箔相变过程的影响.结果表明,当激光作用于金箔时,金箔上表面首先熔化,固液界面随时间不断向金箔底部移动,并且在相同条件下,双曲线模型下的金箔熔化深度和固液界面温度均大于抛物线模型的结果.当考虑非傅里叶效应时,激光能量密度越大,固液界面温度越高,金箔熔化时间越短;激光脉冲宽度越小,固液界面温度越大,金箔熔化速度越快.     

微水射流导引激光打孔的传热分析

微水射流导引激光加工是一种热影响区小,具有高加工精度的新型技术.本文基于有限体积法建立了微水射流导引激光束对硅片打孔过程的传热模型,将打孔过程分为三个阶段模拟其间的热量传递、相变过程和相边界的移动;探索了微水射流导引双脉冲激光打孔过程,进行了双脉冲不同延迟时间下的传热过程的数值模拟,得到了最佳延迟时间.结果表明:在初始...     

激光照射金颗粒在散射效应下的相变传热

采用二维双温度模型结合散射作用所引起颗粒表面光强不均匀分布的结果,对单脉冲激光垂直照射金颗粒的相变传热进行研究,通过将界面能量平衡方程,成核动力学的界面追踪法相耦合来确定固液界面的位置并研究激光参数对烧结过程的影响.结果表明：当激光垂直照射金颗粒时,熔化现象主要发生在颗粒的两极且底部熔化开始时间早,熔化体积也比较小.激光的脉宽越短熔化开始时间越早,熔化体积越大.提高激光的能量密度,颗粒的熔化体积也随之增加.     

激光对金属铜微孔加工的热力学过程研究

采用纳秒激光脉冲对铜金属进行了打孔实验,对微孔形貌进行了观察并对其热力学过程进行了相应的分析。研究表明,微孔的形貌是由凹坑和周围隆起组成,坑深随着脉冲能量的增加而增加。热力学分析表明,激光辐照金属打孔需要两个基本条件：一是激光脉冲能量的沉积,使金属材料发生熔化、汽化以及电离等相变,使得材料更容易去除;激光等离子体作为二次热源会更有效把激光脉冲能量耦合到金属表面;二是激光等离子体的冲击波效应,这种效应会把发生相变的材料有效及时排出,从而有效形成微孔。     

脉冲管制冷机动态特性数值计算研究

针对脉冲管制冷机内部交变流动及多孔介质蓄冷机的特点建立了数值计算模型,采用改进的数值模拟方法对脉冲管制冷机内部气流的交变流动、换热以及制冷过程进行了详尽的数值研究,得到了脉冲管制冷机内各参数的动态变化,分析了各动态参数变化对制冷机整机性能的影响,并从提高数值方程的计算精度和收敛性方面给出了改进的数值模拟方法。模拟分析与实验结果符合良好。该模拟方法的特点从基本流动换热微分方程出发,尽可能多的考虑实际制冷机工作过程中的各种不可逆因素,包括实际气体的物性变化,各部件的流动阻力和传热损失。     

飞秒脉冲激光烧蚀金膜的相变传热研究

采用双温度模型,对飞秒单脉冲激光照射下金膜的烧蚀过程进行了研究,通过界面能量平衡方程成核动力学方程和气体动力学定律对烧蚀过程中的固-液以及气-液界面进行了追踪。对考虑非傅里叶效应的双重双曲线两步(DHTS)模型和抛物线两步(PTS)模型的模拟结果进行了对比研究,并分析了激光和金属薄膜参数对烧蚀过程的影响。结果表明:对于飞秒激光烧蚀过程,DHTS模型的模拟结果比PTS模型的模拟结果更接近于实验数据,相同条件下DHTS模型得到的熔化以及烧蚀深度会明显高于PTS模型得到的结果;激光能量密度越大,激光脉冲宽度越小激光烧蚀的深度越深,而薄膜越厚烧蚀越弱。     

固-液相变糊状区的格子Boltzmann研究

为深入探讨固-液相变材料在相界面内(糊状区)的流动和传热对固-液相变过程的影响,本文基于"焓-多孔介质"模型,提出研究糊状区的"多相流-多孔介质"两区域复合模型,将糊状区的高含液率视为多相流区域,而低含液率区域视为多孔介质,采用格子Boltzmann方法对固-液相变糊状区的流动和传热过程进行研究.重点讨论了相变温度半径,不同高、低含液率区的分界点γ_(tr)对糊状区的发展、迁移以及对相变过程的影响.研究结果表明糊状区厚度随相变半径的增大而增加,进而影响相变过程中流动和换热;对比复合模型的不同高、低含液率分界点γ_(tr)时和单纯多孔介质模型时的糊状区的边界、流动和换热情况,表明将糊状区高液相率区采用多相流模型进行分析,可以正确反映出高含液率区域内固相微粒随液相流动的特性及其对相变过程的影响。     

数据机房阵列平板微热管传热影响因素研究

基于相变传热的平板微热管阵列近年来频繁应用在狭小空间换热以及高热通量器件散热上.采用AN-SYS有限元模拟技术中的多相流模型对"铝-甲醇"组合微热管换热单元的换热过程进行模拟.模拟结果表明:充液率、管段位置以及截面形状等三种因素会影响单根微热管的换热性能;充液率为30％时传热效果较好;适当移动蒸发段或者冷凝段对工质相变...     

飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光照射金箔的传热过程进行了模拟研究,利用序参数法对固相原子和液相原子进行了区分并获取了固液界面的位置及温度随时间的变化规律。在此基础上探究了激光能流密度对熔化过程的影响。结果表明,随着激光能量的吸收及传递,金原子逐渐由面心立方的规则排列变为无序的松散排列,固液界面随时间逐步向金箔底部移动,金箔体积不断变大。当激光能流密度较小时,金箔未完全熔化,且熔化发生时刻较晚。激光能流密度越大,金箔熔化越早越快,熔化深度也越大,固液界面处温度也越高。     

气流床气化炉壁面熔渣行为模拟

本文对气流床煤气化炉内高温合成气和壁面渣层的流动与传热传质过程进行了分析,建立了渣层流动、传热传质和相变数理模型,采用VOF方法对渣层和气体之间自由界面进行追踪,采用射线追踪方法(DTRM)计算辐射换热,采用焓法计算渣层相变,熔融态渣滴在渣层表面的沉积通过源项引入.应用所建立的数学模型对实验室规模的Texaco煤气化炉进行了模拟.结果表明:气化炉壁面换热系数从上到下先增加再减少最后再增加;炉膛温度升高,固态渣层厚度减少;壁面温度升高,固态渣层厚度减少.     

Numerical model and experimental demonstration of high precision ablation of pulse CO_2 laser

To reveal the physical mechanism of laser ablation and establish the prediction model for figuring the surface of fused silica, a multi-physical transient numerical model coupled with heat transfer and fluid flow was developed under pulsed CO_2 laser irradiation. The model employed various heat transfer and hydrodynamic boundary and thermomechanical properties for assisting the understanding of the contributions of Marangoni convention,gravitational force, vaporization recoil pressure, and capillary force in the process of laser ablation and better prediction of laser processing. Simulation results indicated that the vaporization recoil pressure dominated the formation of the final ablation profile. The ablation depth increased exponentially with pulse duration and linearly with laser energy after homogenous evaporation. The model was validated by experimental data of pulse CO_2 laser ablation of fused silica. To further investigate laser beam figuring, local ablation by varying the overlap rate and laser energy was conducted, achieving down to 4 nm homogenous ablation depth.     

超高功率短脉冲作用下薄壁金属的热特性分析

针对短脉冲高功率热流作用下的薄壁金属导热问题,基于傅里叶导热模型,采用固液耦合计算方法对金属瞬态温度特性进行了数值仿真,并分析了液体工质流速及固体材料物性参数对金属温度瞬态响应和分布的影响作用。分析结果表明:温度响应特性与时间尺度有关,在单次脉冲作用下,在ms量级内热量才能开始通过水侧对流散热散出,25ms后金属内部温度渐趋平衡;在连续脉冲作用下,金属内部温度逐渐升高,一定时间后温度变化达到动态平衡,壁面温度在一定范围内波动;停止加热后,在2s内温度逐渐降低至初始状态。提高水的流速和固体壁面热扩散系数均可降低壁面温度,且缩短温度趋衡所需时间。     

钛合金纳秒激光打孔数值模拟和实验研究

为了描述纳秒激光对钛合金打孔过程中孔的形貌及温度场的变化规律,建立激光打孔的物理模型,利用ANSYS中APDL语言进行编程,对温度场进行仿真分析,并利用单元生死技术模拟孔形貌的变化过程。从有限元数值模拟和实验两方面综合分析比较了激光工艺参数(脉冲能量和脉冲数量)对打孔质量(孔深和孔径)的影响,系统论述了钛合金纳秒激光打孔的一般规律,以达到工艺参数优化,提高打孔质量的目的。     

Microhole machining of silicon wafer in air and under deionized water by pulsed UV laser system

The study investigated the laser microhole drilling performance of polycrystalline silicon using the trepanning drilling method combined with the helix swing path with varying parameters, including laser pulse energy, pulse repetition frequency, and galvanometric scan speed. A pulsed ultraviolet laser system was used in an atmospheric condition and under deionized water. Moreover, the trepanning method was used to obtain a larger via diameter. The surface morphology, taper angle, and melted residual high were evaluated using a three-dimensional confocal laser scanning microscope and field emission scanning electron microscope. This method can produce larger holes and can be applied to crystalline silicon, multicrystalline silicon, thin-film silicon, and other materials for photovoltaic applications.     

A keyhole volumetric model for weld pool analysis in Nd:YAG pulsed laser welding

This study presents a new model for analyzing the temperature distribution and weld pool shape in Nd:YAG pulsed laser welding. In the proposed approach, a surface flux heat transfer model is applied in the low laser energy intensity region of the weld, while a keyhole heat transfer model based on a volumetric heat source is applied in the high laser energy intensity region of the weld. The correlation between the intensity of the laser input energy and the geometric parameters of the volumetric heat source is derived experimentally. A series of MARC finite element simulations based on the proposed single pulse model are performed to investigate the shape and size of the weld pool given different laser energy intensities. A good agreement is observed between the simulation results and the experimental results obtained under equivalent single pulse welding conditions. Thus, the basic validity of the proposed model is confirmed.     

高能激光破岩的传热学特性研究

高能激光破岩中激光与岩石相互作用的过程,是一个复杂的非稳定的传热学问题。利用能量守恒原理,得到了激光破岩的传热方程,并对其相变过程中固液相变界面、液气界面上的焓、导热系数和比热等热物性参数进行了近拟简化,从而建立了激光破岩温度场分析的物理模型。利用Galerkin方法,对激光破岩的温度场模型进行了数值分析求解和实例计算。     

激光诱导等离子体的气体动力学和燃烧波扩展速度研究

针对激光对熔石英材料产生致燃损伤过程中存在的激光支持燃烧波,考虑激光作用的温度残余、目标形貌的改变、喷溅物质分布、目标表面气流状况的分布等效应,分阶段对激光支持燃烧波的过程进行建模和仿真研究.通过建立二维轴对称气体动力学模型,模拟研究包含逆韧致辐射、热辐射、热传导和对流过程在内的激光能量传输过程.此外,依据激光支持燃烧波在可见光波段具有明显的辐射特征这一特点,利用阴影法测量了激光对熔石英致燃损伤过程中的燃烧波扩展速度,得到了燃烧波演化过程图像.研究结果表明:在平行激光束作用下,燃烧波的传播是稳态的,气体动力学行为比较稳定;在聚焦激光束作用下,燃烧波的传播是非稳态的.模拟结果中得到的激光支持燃烧波扩展速度及气体动力学结构与实验结果和理论推导结果符合得很好,验证了理论模型的正确性.