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。

针对铝合金基材设计了ZrO2陶瓷涂层, 采用976 nm连续波激光对样品的抗激光性能进行了测试。基材厚度为2.5 mm, 涂层厚度为0.3 mm, 实验测试时样品前表面加载了0.3 Ma切向空气流。记录了辐照区域后表面测点的温度变化情况, 测量了未辐照区与辐照区的反射率谱, 并进行了XPS成分分析。结果表明: 平均功率密度700 W/cm2的激光辐照60 s样品没有熔化; 辐照区域颜色变白, 对近红外光的反射率变大。颜色变白的原因可能是涂层表面沾染的含碳化合物在激光辐照过程中被热解或气化, 这与XPS检测结果相一致。

为了研究切向气流对激光毁伤低慢小目标的影响, 采用仿真分析和实验相结合的方法研究了在激光辐照典型低慢小目标材料尼龙66过程中切向气流对激光烧蚀作用的影响。建立了激光烧蚀尼龙的简化物理模型, 利用红外热像仪分别研究了1.5 s和4 s两个时刻激光辐照下尼龙材料的温度场分布和烧蚀形貌, 并与无气流条件下的结果进行对比。实验表明, 切向气流对激光烧蚀尼龙材料过程的影响主要分两个阶段, 在辐照前段时间切向气流减缓了激光辐照下尼龙66材料的温升, 抑制了激光对尼龙材料的烧蚀作用; 但随着温度的升高, 热分解产物增多使激光屏蔽作用增强, 切向气流减轻了目标材料表面热分解产物对激光的衰减, 并为尼龙材料的氧化烧蚀提供更多氧气, 促进了烧蚀作用。最后对切向气流下激光烧蚀尼龙的过程进行了ANSYS仿真, 实验结果和仿真结果基本一致, 从而验证了理论的可靠性。

切向气流作为一种环境因素会对激光辐照效应产生重要影响，近年来国内外学者对切向气流作用于激光辐照效应进行了广泛研究，主要集中在不同性质的气流环境、不同强度的切向气流对激光辐照效应的影响，其影响因素主要包括促进氧化反应、增大换热系数、空气动力学等，分析了各因素在不同条件下影响激光辐照效应的相互耦合作用。但对切向气流影响激光辐照效应的材料研究还不够广泛，对空气动力学引起靶材融化前破裂现象的分析不够清晰，这些都有待进一步研究完善。

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显.

通过表面形貌观察、温度场分析，研究了切向空气气流、切向氮气气流、自然对流3种环境下氟化氘(DF)激光对45#钢靶的辐照效应，结果表明: 切向空气气流环境下，钢靶烧蚀效果最显著，靶板后表面中心温升最高; 切向氮气气流环境下，钢靶有一定的烧蚀，但温升最低; 自然对流环境下，烧蚀效果最差。实验结果表明: 切向气流可移除部分熔化物，特别在切向空气气流环境下剧烈的氧化反应可促进钢靶温度升高，显著增强激光对钢靶的烧蚀，停止激光辐照后切向气流的冷却效应起主要作用。根据实际物理问题建立了相应的数值计算模型，模拟了不同气流环境下激光对钢靶的辐照效应，其中，利用“生死单元”的方法，模拟了切向空气气流环境下激光对钢靶的烧蚀，并考虑了氧化放热的影响。模拟结果与实验结果基本相符，解释了气流在激光辐照效应中的作用。

烧蚀热可用于材料抗激光加固性能表征和材料的激光加工效率描述。实验研究了亚音速表面切向空气气流速度和激光功率密度对玻璃纤维/树脂复合材料烧蚀热的影响规律，结果表明，相同气流速度下，烧蚀热在100~500 W/cm2 激光功率密度范围内先迅速降低然后趋于稳定，转折点约位于200 W/cm2；相同激光作用下，功率密度较低时，烧蚀热随着气流速度提升而变大，功率密度高于一定值(约200 W/cm2)后，烧蚀热随气流速度提升而降低。分析认为材料内部扩散、热解气体燃烧、残碳氧化放热、辐射能量损失、气流剥蚀等多个因素的竞争是激光能量利用效率变化的原因。

针对切向气流加载导致激光加热金属板在熔化前的穿孔效应，利用金属薄板的弹性弯曲理论，推导出了两种典型光束(方形和圆形)照射下的弯曲挠度表达式，利用Mises理论给出了非熔化穿孔的破坏判据。研究结果表明: 激光加热下材料强度降低是出现非熔化穿孔破坏的主要机理; 薄板在光斑区的最大变形与气流速度、光斑直径、板厚与弹性模量(U2a4/Eh3)相关，穿孔破坏温度与气流速度、光斑直径及板厚(Ua/h)2相关; 与方形光斑辐照相比，圆形光斑辐照的破坏阈值稍高一些。数值计算结果表明: 0.8 Ma切向气流作用下，铝合金壳体的激光破坏能量阈值大大降低(可达40%~50%)，典型不锈钢壳体的破坏阈值降低相对较小(20%左右)，气流作用导致金属板破坏阈值的下降是需特别关注的问题。

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时, 976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时, 喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用; 有气流时, 激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走; 当激光功率密度较低时, 切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主, 不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏; 当激光功率密度较高时, 切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主, 有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下, 质量损失随功率密度呈现单调增加趋势, 当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内, 随着功率密度的增大, 激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。

总结了亚音速切向气流在激光辐照典型金属靶过程中所起的作用，提出气流效应主要包括增大靶与外界环境的对流换热强度; 移除靶表面的熔化层，加快烧蚀速率; 促进靶的氧化反应，有利于靶的烧蚀; 空气动力学效应导致靶在熔化之前就可发生破裂等几个方面。对上述气流效应进行了详尽的分析，同时指出应对氧化反应及热力联合效应进行更广泛的实验研究，获得更明确的规律性认识，以便建立统一的物理数学模型，从而为实际的工程应用提供参考。