Vol.22 No.5 崔晓鸣等：高能脉冲激光作用下材料表面温度场 ·473· 失，如图8所示.从以上结果来看，在t=48~84 经很弱，实验结果更接近于傅立叶导热模型的 s区域中，存在着一个二次温升的因素，使得 计算结果，如图10所示.以上实验结果和数值 这段区域的降温过程产生异常.我们暂称它为 模拟的结果说明，在较小脉宽的激光作用下，用 “二次温升现象”，这种现象对于材料的激光表 双曲型导热模型来预测材料的表面温度的变化 面处理以及材料表面温度的瞬态测量都会有很 规律比采用傅立叶导热模型更为精确，在较大 脉宽下，采用傅立叶导热模型更为精确. 10 …激光脉宽为10s 激光脉宽为20s 12 激光脉宽为305 10 一双曲模型 傅立叶模型 0 40 80120160200 tμs 0 40 80120160200 t/us 图8较长脉宽情况下表面温度的变化曲线 Fig.8 Temperature profiles of materials surface in long 图10较长激光脉宽的数值模拟结果 pulse duration Fig.10 Nunerical simulation of long laser pulse duration 大的影响.此外，本实验还发现在这种非常规加 3结论 热情况下，加热结束后材料表面的温度在某一 段时间区域内，有可能等于甚至高于其脉冲加 (1)在高能脉冲激光加热下，材料表面温度 热过程中的最高温度.如图7中激光脉宽为1m 的变化规律已经偏离基于傅立叶导热模型的结 的曲线.同时，在上述的区域中，温度曲线有一 果，因此它是一个高度非平衡态热力学问题. 列周期为10s的波动，随着脉宽的逐渐增大， (2)激光脉冲功率密度影响材料表面温度 这列波动逐渐衰减直至消失，根据以上的实验 的温升程度以及温升速率，但并不影响激光加 条件和实验步骤，分别用傅立叶导热模型和双 热后材料表面的温度变化规律 曲线性导热模型进行了数值模拟，计算结果如 (3)激光的脉宽对材料表面温度变化影响 图9、图10所示.从数值模拟的结果来看，在小 很大.在本实验中，当激光的脉宽小于5s时， 激光脉宽下，实验结果和双曲线导热模型计算 材料表面温度在降温过程中有一个突然升温的 的结果比较接近，并且计算结果中也出现了温 区域，当激光脉宽为1s时，这个突然升温的温 度的波动现象和“二次升温”现象，而与傅立叶 度甚至比激光脉冲加热结束时的温度还要高， 导热模型的计算结果相差较大，如图9所示：在 这是一个傅立叶模型所不能解释的现象，而与 大激光脉宽下，材料表面的温度的波动现象已 双曲导热模型的计算结果比较接近，当脉宽大 3.0 于5s时，这种突然升温的现象逐渐减弱直至 双曲模型 2.5 消失.这种现象在材料的激光表面处理以及表 傅立叶模型 2.0 面温度的测量中会产生很大的影响. (4)当激光脉宽较小时，采用双曲线导热模 1.5 型来预测材料的表面温度的变化规律比采用傅 1.0 立叶导热模型更为精确；在较大脉宽下，采用傅 0.5 立叶导热模型更为精确. 0.0 参考文献 40 80120 160 200 1 Joseph DD,Luigi Preziosi.Heat Waves.Reviews of Mod- s ern Physics,1989,61(1):4】 图9短激光脉宽的数值摸拟结果 2张浙，刘登漆.含对流与蒸发表面的有限厚度材料 Fig.9 Numerical simulation of short laser duration 的双曲型热传导分析，中国工程热物理学报，1999，V bl . 2 2 N O 一 5 崔 晓鸣 等 : 高 能脉 冲激光 作用 下材 料 表面 温度 场 一 4 7 3 - 失 , 如 图 8 所 示 . 从 以上 结果来 看 , 在 =t 48 一 84 娜 区域 中 , 存 在着 一 个二 次温 升 的因素 , 使得 这段 区域 的 降温过 程产 生异常 . 我们暂称 它为 “ 二 次温升 现象 ” . 这种 现象对 于 材料 的激 光表 面处理 以及材料表面温度 的 瞬态测 量都会有很 经很弱 , 实验 结果 更接 近于 傅立 叶导热模 型的 计算结 果 , 如 图 10 所示 . 以上 实验结果 和 数值 模拟的结果 说 明 , 在较小脉宽 的激光作用下 , 用 双 曲型导热模 型来预测材 料的表 面温度 的变化 规律 比 采用 傅立 叶导热 模型 更 为精 确 , 在较大 脉 宽下 , 采用 傅立 叶导 热 模型 更 为精 确 . 一,0 一拭ù`U 4 ,` 0 出食 10 - _ ! 燕 ’ “ “ 激光脉宽为 10 哪 - 一 激光脉宽为 加 泌 - 一 激光脉宽为 30 哪 价女砍 1 6 0 2X() — 双 曲模型 ~ 傅立 叶模型 尸尸、 一 0 l ù, 月盆. 0 l QO1 0 尹J4 " 多 t/ 娜 图 8 较长脉宽情况下表面温度的变化曲线 iF .g 8 eT m pe ar tU er p功m es of m a et iar ls su r af ce 加 ot n g P u ls e d u ar iot n 大 的影 响 . 此外 , 本实验还发现在这种非常规加 热情 况下 , 加热 结束后材料表 面的温度在 某一 段 时间 区域 内 , 有 可能等 于 甚至 高于其脉 冲加 热过程 中的最高温度 . 如 图 7 中激光脉宽为 1 卿 的 曲线 . 同 时 , 在 上述 的区域 中 , 温度 曲线有一 列 周 期 为 10 娜 的 波动 , 随 着脉 宽的 逐渐增 大 , 这 列波动 逐渐衰减 直至消 失 . 根据 以 上的实验 条件和 实验步骤 , 分别用 傅立 叶导热 模型和 双 曲线性 导 热模型进 行 了数值 模拟 , 计算结果如 图 9 、 图 10 所示 . 从数值 模拟 的结 果来看 , 在 小 激光脉 宽下 , 实验结果 和双 曲线 导热模型计算 的结果 比较接近 , 并且 计算结 果中也 出现 了温 度 的波 动现象和 “ 二 次 升温 ” 现象 , 而与傅 立叶 导热模 型 的计 算结 果 相差较 大 , 如图 9 所示 ; 在 大激 光脉宽下 , 材料 表面 的温度 的波动现 象 己 0 4 0 8 0 1 2 0 16 0 2 0 0 t/ 娜 图 1 0 较 长激 光脉 宽的数值模 拟结果 F电 · 10 N u n e ir c a 】s恤 u 肠 iot n o f ot n g l a s e r P n ls e d u ar iot n — 双曲模型 少0 4 0 80皿1 2 0 1 6 0 2 0 0 t/ 四 图 , 短激光脉宽的数值模拟结果 F哈 9 N u m e ir c a l s恤 u . iot n of s h o rt h se r d u ar iot n 3 结论 ( l) 在高 能脉冲激 光加 热下 , 材 料表面温度 的变化规律 已经 偏离基于傅立叶 导 热模 型 的 结 果 , 因 此它 是一个高度 非平衡态热 力学 问题 . (2 ) 激光脉冲 功率密度 影响材料 表面温度 的温 升程度 以及温升 速率 , 但并不影 响激光 加 热后 材料表 面 的温度 变化规 律 . (3 ) 激光 的脉宽对材料 表面温度 变化影 响 很大 . 在本 实验 中 , 当激 光的脉 宽小于 5 哪 时 , 材料表面温度在 降温过程 中有一个 突然 升温的 区 域 , 当激光脉 宽为 1 娜 时 , 这个突然升温 的温 度甚 至 比激 光脉冲 加热结束 时 的温 度还要 高 . 这是一个 傅立 叶模型 所不 能解释 的现象 , 而与 双 曲 导 热模型 的计算结 果 比较接近 . 当脉宽大 于 5 娜 时 , 这种突然 升温 的现象 逐渐减 弱 直至 消 失 . 这种 现象在材 料 的激光表 面处理 以及表 面温 度 的测量 中会产 生很大 的影 响 . (4 ) 当激 光脉宽较 小时 , 采用 双 曲线 导 热模 型来预测材料 的表面温度 的变化规律 比采用傅 立 叶导热模 型更为精 确 ; 在较 大脉 宽下 , 采用 傅 立 叶导 热模 型 更为精确 . 参 考 文 献 1 J o s eP h D D , L u i ig P r e 滋o s i . H e at W台v e s . eR v i ew s o f M do - e nr P hy s i e s , 1 9 89 , 6 1( l ) : 4 1 2 张 浙 , 刘登派 . 含 对 流与 蒸发 表面 的有 限厚 度 材料 的双 曲型热 传 导分析 . 中 国工程 热物 理学 报 , 1 99 9