热管在LD端面泵浦固体激光器散热系统中的应用

基于热管的传热原理,计算了热管的等效导热系数.采用电加热器作为模拟热负载,在实验和数值计算上比较了热管散热器和水冷方式的散热效果;在激光二极管端面泵浦固体激光器中,模拟并比较了热管散热和水流散热方式对晶体温度分布以及热透镜焦距的影响.结果表明,使用热管散热器在该系统中具有一定的散热效果,而且它可以克服水冷方式带来的水流温度波动、设备复杂庞大等缺点,为激光二极管端面泵浦固体激光器中晶体散热提供了一种解决途径.最后,提出了一种热管式热沉设计方案,利用热管的高导热性,将其做成热沉取代铜直接用于夹持晶体和散热.

激光辐照飞行靶三维温度场数值模拟

以地基激光辐照飞行靶为研究背景,建立激光迎面辐照和横向辐照靶目标两种交汇场景,考虑激光辐照面域和功率密度分布随靶目标飞行的变化,求解激光辐照参数,建立热传导模型;利用有限容积法,得到飞行靶三维温度场的数值解,分析目标运动性对温度场分布的影响。不同于激光辐照静止目标,辐照参数变化对温度场分布有较大的影响:随着靶目标的飞行,辐照面积逐渐减小,平均功率密度逐渐增加,目标温升速率不断增加;光束与靶目标夹角的变化,引起光束强度空间分布的变化,从而影响温升区域的变化。

复合材料层合板壳的三维退化热壳元分析

根据壳元的几何形状规定, 推导了壳元几何关系公式; 假设温度沿壳元厚度是二次多项式分布, 在给定边界条件下, 推导了壳元温度函数表达式; 根据传热定理和有限元离散原理, 推导了复合材料热传导系数从材料坐标系到有限元分析的等参元正则坐标系的变换关系, 建立了各向异性复合材料层合板的有限元热分析列式; 通过积分变换, 推导了三维退化热壳元公式。在此工作基础上, 编制了有限元计算程序, 将计算结果和ANSYS计算结果进行了比较, 结果吻合较好。经证明, 三维退化热壳元可以节省内存和提高计算效率。

激光辐照移动平板温度场分布的有限元分析

基于热传导理论,采用有限元方法建立激光辐照无限长移动平板表面激发瞬态温度场的三维模型,用以研究移动平板上下表面瞬态温度场.考虑板材料的热物理参数依赖于温度、板表面的热辐射及对流等因素,计算了上述因素及移动速度对温度场的影响,并进一步讨论了激光半径对温度场的影响.数值结果表明:激光辐照移动平板后,在材料中将产生准稳态温度场;材料热物理参量的温度系数会对激发的温度场分布产生影响;增加对流传热会导致温度峰值和准稳态温度值降低;而表面热辐射的影响可以忽略.此外,增加移动速度会引起温度峰值及准稳态温度值降低,并且到达准稳态所需的时间缩短;温度峰值及准稳态温度值随激光源的半径减小而增加,温度峰值的增幅明显大于准稳态温度值的增幅.

激光晶体侧面接触热导对波前畸变的影响

对于采用圆棒状工作物质的二极管端面抽运固体激光器,其晶体棒由两块金属热沉夹持散热,晶体棒侧面受到非轴对称的装配压力使得晶体棒与热沉间接触热导呈非轴对称分布,进而影响晶体棒温度及出射光波前的空间分布.在已有的截断高斯模型和塑性形变模型基础之上,建立了晶体棒与热沉间接触热导模型.对高斯型热耗分布,采用有限元法得到了无热界面物质时,不同装配压力下晶体棒端面温度和波前畸变随半径和方向角的变化,并与采用铟箔作为热界面物质时的结果进行了比较.模拟结果表明:无热界面物质时,在同一半径上,晶体棒端面温度、波前畸变在晶体棒侧面与热沉凹槽底部接触方向最小,在两块热沉接触面方向最大;增大装配压力,晶体棒端面温度整体降低,波前畸变在圆周方向趋于均匀.使用铟箔作为热界面物质时,晶体棒端面温度及波前畸变一致减小,且呈轴对称分布.

Estimation of thermophysical properties of solid propellants based on particle packing model

A method for the estimation of thermophysical properties of two-and multi-phase solid propellants is proposed in this paper.The theoretical solutions for thermal conductivity and specific heat of a homogeneous solid propellant cell in the transient thermal conductivity process are deduced on the condition that one boundary of the cell is heated while others are adiabatic.A homogenization theory and the finite element method are employed to compute the mean temperature and heat flux of a representative volume element(RVE).According to the mean results and the theoretical solutions,the effective thermal conductivity and specific heat of solid propellant can be estimated.A packing algorithm,considering the solid particles(ammonium perchlorate(AP)or aluminum)as spheres or discs,is used to match the size distribution and volume fraction of solid propellants,and some mesoscopic models of two-phase and three-phase solid propellants are established.According to the estimation theory proposed in this paper,the effective thermal conductivity and specific heat of solid propellants are predicted.The effect of AP or Al volume fraction is also discussed in this paper.

时域间断Galerkin有限元法在激光热加工过程中应用

针对半无限体和薄膜结构受多种激光热源作用下的非傅里叶热传导过程,采用时域间断Galerkin有限元法进行数值仿真.其主要特点是在时域内对温度及其时间导数分别进行三次Hermite插值和线性插值.对于半无限激光热源热传导问题,其计算结果与解析解吻合良好.算例表明,时域间断Galerkin有限元法在高频激光脉冲问题中,没有虚假的数值振荡,具有广泛的工程应用性.

散热方式对激光晶体热畸变效应的影响

以激光二极管端面抽运Nd:YAG激光器为例,采用有限元法数值计算了不同散热条件下晶体的温度分布;比较了两种散热方法(铜热沉加半导体制冷(TEC)器散热法和晶体侧面水流散热法)对晶体温度分布的影响,并提出晶体热透镜球差效应。根据温度分布的结果,采用光线追迹理论,定量比较两种散热方式对晶体不同径向位置热透镜焦距的影响。结果表明,采用铜热沉加半导体制冷器散热法时,晶体不同径向位置热透镜焦距较短,焦距差较小,球差效应较弱;采用晶体侧面水流散热法时,不同径向位置热透镜焦距较长,不同径向位置焦距差也较大,球差效应明显。最后模拟了两种散热方式下,晶体散热不对称时热透镜畸变的结果。

金属粉末的直接选区激光烧结温度场数值模拟

金属粉末的直接选区激光烧结(DMLS)过程中存在着相变潜热,在考虑相变潜热的作用下,基于金属粉末烧结成形建立了一种三维的瞬态有限元模型,该模型还考虑了随温度变化而变化的热传导、自然对流和辐射的影响。采用ANSYS参数化设计语言处理移动热源,用焓处理相变潜热的影响。以25号钢粉末为烧结材料进行了数值模拟,模拟结果表明:激光烧结过程中,在光斑中心的前端存在着极大的温度梯度;光斑中心的温度高于金属粉末的熔点,烧结过程中存在液相。

端面抽运固体激光器中抽运端面的直接散热

提出了一种用于激光二极管端面抽运固体激光器(DPSSL)中晶体端面直接散热的新方案——在传统的侧壁散热基础上采用金刚石薄片对晶体的抽运面进行散热。使用有限元方法(FEM)分析了该方案的散热效果,并与传统侧壁散热方案的散热效果作了比较,结果表明,使用晶体端面直接散热方案可以将集中于晶体端面的热量更为有效地抽出,大幅度降低晶体抽运端面内的温差,晶体温度最高点出现在晶体内部,降低了晶体抽运端面热损伤概率,显著减弱了晶体热效应;在相同注入功率条件下实验测量了两种散热方式下的输出功率,结果表明,晶体端面直接散热方案可以有效抑制晶体热效应对于输出功率的不良影响,该方案特别适合用于解决大功率端面抽运固体激光器的散热问题。

固体激光器中多块热沉夹持晶体散热时接触热导研究

采用圆棒状工作物质的固体激光器中,通常用2块带有半圆型凹槽的金属热沉夹持晶体散热。装配压强在晶体与热沉接触面上的不均匀分布,造成二者间接触热导沿圆周变化,在晶体中产生非轴对称的温度分布。提出采用3块或4块热沉夹持圆棒晶体散热,利用截断高斯模型和塑性形变模型计算晶体与热沉间接触热导,建立了接触散热模型,并用有限元法得到晶体温度分布。结果表明,2块热沉夹持圆棒晶体散热时,晶体侧面压强、接触热导沿圆周变化明显,在热沉凹槽底部达到最大,在2块热沉结合面处为零,晶体端面温度沿周向变化较大。采用3块热沉时,晶体侧面压强、接触热导及温度分布的周向均匀性提高,端面中心温度降低,采用4块热沉时,晶体侧面压强、接触热导及温度分布的周向均匀性最好,端面中心温度最低。

二极管端面抽运固体激光器晶体棒与热沉接触热导研究

二极管端面抽运固体激光器中,圆棒晶体采用金属热沉夹持并散热,晶体侧面受到的压力呈非轴对称分布.建立了此状态下晶体棒与热沉间无热界面物质、采用厚度为平均间隙厚度和远大于平均间隙厚度的热界面物质三种情况下接触热导模型.针对前两种模型,采用截断高斯模型和塑性形变模型,讨论了接触热导与装配压力、等效均方根粗糙度的关系.建立了晶体棒与热沉的接触散热模型,对高斯型热耗分布,采用有限元法得到了无热界面物质和采用铟箔作为热界面物质时晶体棒温度的空间分布.结果表明:无热界面物质时,晶体棒与热沉间接触热导随圆心角变化较大,其值在热沉凹槽底部最大,在两块热沉接触面处最小;装配压力增大或均方根粗糙度减小时,接触热导变大,其均匀性变差,晶体棒温度降低.使用铟箔作为热界面物质时,接触热导及其均匀性得到很大提高,晶体棒温度整体降低,其分布关于光轴对称.

脉冲激光表面强化数值模拟及热物性参量影响

建立了包含脉冲激光束时空分布、依赖于温度的材料参量、组织演化历史以及多次相变特征在内的脉冲激光表面强化三维有限元模型。针对常热物性和变热物性并考虑相变潜热两种情况,温度场及其演化分别得到了解析解和通用有限元软件的验证,强化区层深和宽度得到了实验验证。研究了材料热物性对强化区的影响,得到了一定范围内强化区层深随材料热物性参量的变化规律,即:热传导系数不变时,强化区层深随热扩散率的增加而增加;比热容不变时,强化区层深随热扩散率的增加而减小;热扩散率一定时,强化区层深随热传导系数和比热容的增加而降低。以球铁、共析钢和中碳钢为例,分析了两种确定材料热物性常数方法,即一定温度范围内的平均值法和选取奥氏体化温度附近参量方法的可行性,研究表明平均值法可以得到较好的结果。