温度场的毁伤效应的计算与分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：现取Al 作为靶材来进行温度场的计算，其热物性参数如表1 所示。为了更明显地对比靶材熔化前后导热系数变化和熔化潜热对温度场的影响，在条件不变的情况下，分别就三种情况对靶材表面的温度进行对比分析，具体如图6 所示。

铝（Al）及其合金广泛应用于人造卫星的制造中。现取Al 作为靶材来进行温度场的计算，其热物性参数如表1 所示。

表1　铝的热物性参数［11］

由于金属熔化前后导热系数发生了变化，所以网比r 也发生了变化，但变化前后都应满足0≤r≤0.5，考虑到r 可能取的最大值，设空间步长Δx＝0.1 cm，Δt＝0.005 s，数值法的计算工况如表2所示。

表2　数值解的计算工况

按照图4 中的计算流程来计算温度场，取辐射到靶材的激光功率密度为10 kW／cm2，通过式（4）～式（7）可计算得到一维温度场随时间和空间变化的数值解，如图5 所示。

图5　靶材的温度场分布

图5 所示为人造卫星外壳的温度场分布，在初始阶段靶材的温度场各位置温度平稳上升；在达到熔化温度时，由于相变潜热的影响，温度将在一定的时间内维持在600 ℃左右；之后由于在熔化前后靶材导热系数发生了变化，靶材温度的上升速率有了明显的提升。同时可以从图中看出，在毁伤时间内，靶材底部温度并未超出其熔化温度，因此靶材并未因温度过高而发生损毁。

为了更明显地对比靶材熔化前后导热系数变化和熔化潜热对温度场的影响，在条件不变的情况下，分别就三种情况对靶材表面的温度进行对比分析，具体如图6 所示。

图6　三种假设表层温度变化情况

图6 所示为三种假设下数值计算得到靶材表面温度分布随时间的变化对比情况。其中实线为不考虑相变时表面温度的变化，虚线为仅考虑导热系数变化，而不考虑熔化潜热时表面温度的变化，点划线为同时考虑熔化前后导热系数变化及熔化潜热的影响。不难看出，除了在相变点处点画线由于相变潜热的原因，温度保持不变，而在表面金属熔化后的一段时间内，靶材的温度存在一定的波动，这是靶材内部各位置在不同时间段到达相变温度，而导致导热不均匀的现象。

温度场的毁伤效应的计算与分析

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