1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
高速气流作用下激光辐照结构诱导的热-力响应相似关系，因涉及多物理场之间的强耦合而非常复杂。笔者采用近似等效方法，将切向气流的作用等效为金属平板结构的力载荷和热载荷边界条件，建立了该耦合问题的无量纲控制方程，并结合主控因素分析，推导出了适用于高速气流与激光联合作用下的金属平板热-力响应特性的相似关系与尺度律。采用高速气流下强激光辐照金属平板的流-热-固多场耦合数值算例对该尺度律进行考核验证，结果表明：不同缩比率及不同马赫数条件下，满足该相似关系的缩比模型与原模型之间的热-力响应误差均在1%之内。本研究为高速气流条件下激光辐照缩比模型近似等效试验的开展奠定了理论基础。
激光技术 尺度律 方程分析法 金属平板 多场耦合 热-力响应 中国激光
2024, 51(12): 1202103
1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
3 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。
激光技术 激光破坏效应 原位观测技术 瞬态烧蚀形貌 超声速切向气流 光流法 中国激光
2023, 50(16): 1602201
1 中国科学院 力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院 力学研究所 空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049
4 上海宇航系统工程研究所，上海 201109
为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制，开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台，完成了静态以及Ma 1.8，Ma 3.0，Ma 6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明，与静态环境相比，高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响，气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长，线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大，主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大，以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外，通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明：2D C/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因，其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。
C/SiC复合材料 激光辐照 高速气流 烧蚀行为 C/SiC composite laser irradiation high-speed airflow ablation behaviors 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051002
中国科学院 力学研究所, 流固耦合系统力学重点实验室， 北京 100190
实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程，利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响，发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟，模拟结果与实验结果吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量，是一种很有效的实验测量手段。
激光辐照 三维数字图像相关技术 红外测温 变形场 温度场 laser irradiation 3D-DIC infrared measurement deformation field temperature field 强激光与粒子束
2014, 26(11): 111012
