Исследование процессов тепломассопереноса при взаимодействии лазерного излучения с конденсированным веществом

• Автор: Черняков, Александр Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 99 c. : ил

Глава I. Неустойчивость поверхностных волн в неоднородно

нагретой жидкости

§ I. Дисперсионное уравнение

§ 2. Волны на поверхности глубокой жидкости

§ 3. Волны в слое жидкости конечной глубины

§ 4. Нелинейная стадия развития неустойчивости

Заключение

Глава II. Конвективный тепло- и массоперенос в жидкости

под действием лазерного излучения

§ I. О возникновении крупномасштабных конвективных

течений в жидкости
§ 2. Структура гидродинамических течений и процессы конвективного тепло- и массопереноса при развитой конвекции
§ 3. 0 механизмах массопереноса при лазерной сварке
Заключение
Глава III. Динамика поверхностного разрушения непрозрачных
материалов лазерным излучением
§ I. Общее уравнение динамики формы поверхности
§ 2. Разрушение поверхности плоской электромагнитной волной
§ 3. Взаимодействие параллельного ограниченного луча
с поверхностью
§ 4. Взаимодействие лазерного луча с движущейся
поверхностью
§ 5. Разрушение стенок волновода

Заключение
Основные результаты и выводы
Литература
-4'
В последнее десятилетие в связи с созданием мощных непрерывных СО2 лазеров [I]стали быстро развиваться исследования в области взаимодействия лазерного излучения с конденсированным веществом с целью разработки новых технологических процессов обработки материалов [2,3] . Несмотря на большое число исследований в этой области, физика многих процессов, связанных с технологическими применениями лазеров, остается еще до конца не понятой, что связано со сложностью и многообразием процессов, происходящих одновременно в зоне воздействия лазерного луча на поверхность облучаемой мишени. Тут могут быть и оптический пробой с образованием плазмы [4], и нестационарные процессы плавления и испарения [2] , и развитые гидродинамические течения [5]. Так, во многих лазерных экспериментах по воздействию излучения на металлы [6], на их поверхности образуется зона расплава, в которой из-за разных причин могут возникать сложные гидродинамические течения, которые будут влиять на структуру и свойства обрабатываемого материала, на условия поглощения и отражения падающего излучения, на процессы тепло-и массопереноса в расплаве.
Известно, что в жидкости, находящейся вдали от термодинамического равновесия, могут спонтанно возникать конвективные течения. Это явление было открыто Бенаром [7,8], который обнаружил, что в жидкости,нагреваемой снизу^ при достаточно большом градиенте температуры самопроизвольно возникают конвективные течения. Это явление подробно изучалось и сейчас продолжает изучаться [9-П] . Причину конвекции, обнаруженной в экспериментах Бенара, долгое время считали связанной с уменьшением плотности жидкости при нагревании, что в поле тяжести приводит к подъему более легких слоев

экспоненциалыю при приближении к центру с характерным размером и су ~ ~=-- для-Л и Т соответственно. Этот результат нетрудно понять, если учесть, что при движении вдоль замкнутой траектории жидкая частица испытывает знакопеременное воздействие (нагревается - охлаждается, ускоряется - тормозится), причем за один оборот возмущение успевает проникнуть в жидкость на харак-. терный размер т ~ (Ч */#])• Поэтому градиент температуры IV ТI оказывается порядка лТ/^, и при заданном потоке тепла <2 перепад температур аТ~ уменьшается в сравнении с покоящейся жид-костью в (р.е£)>лГ раз, что в частном случае твердотельного вращения прямо следует из формулы (2.7). Образование тепловых пограничных слоев при конвекции наблюдалось экспериментально [48,49] и в численных расчетах [50]
Отметим, что аналогичное явление выталкивания магнитного поля из области течения с замкнутыми линиями тока при больших магнитных числах Рейнольдса исследовалось в теории магнитного динамо [51,52]
Таким образом, задачу о вычислении поля скоростей установившейся термокапиллярной конвекции жидкости а большими числами Рейнольдса можно решать в два этапа: сначала определяется поле скоростей вне вязкого подслоя, где /= = сons^ , а затем
рассчитывается изменение скорости и температуры в пограничном слое, после чего находится Л0
Решение первой части задачи сводится к исследованию уравнения Пуассона и может быть выполнено для различных форм ванны.
Так, в случае прямоугольной ванны с горизонтальным размером 2Е и вертикальным И для функции тока можно получить выражение
и _ 8-&С. В у 5 п [У О+Ь) ( 2КН)/2е] ь К [Х2 (2‘<^ У21 ] й п [ [2 к ч )5Гх/г'1 (2 ох У ~ кГо (2к+0Лек[ЗГ/1«К+1)/г£