CN115015313A - 激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光烧蚀Al‑PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，属于含能材料领域。本发明理论分析和总结了激光烧蚀Al‑PTFE反应材料的动态多物理过程，然后将反应材料划分为三个区域和阶段，充分考虑激光能量热沉积、化学反应动力学、相变和移动边界等因素对烧蚀过程的影响，建立高保真数值模型并且开发对应的数值求解方法，准确预测Al‑PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布。相比现有技术，本发明一方面能够根据爆破或者推力需求，快速确定激光点火能量，另一方面可根据提供的激光能量预测反应材料温度分布，评估反应进程。
Description
技术领域
本发明涉及含能材料技术领域，具体是一种激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法。
背景技术
Al-PTFE反应材料因其先进的机械和高放热性能，广泛应用于炸药、推进剂和烟火药中。与传统含能材料不同，Al-PTFE反应材料通常是由铝和聚四氟乙烯两种非爆炸性固体颗粒烧结而成的复合材料，其在常规环境下保持惰性而难以起爆，安全性较高，并且兼有聚合物和金属的双重特性，具有一定的韧性和强度。当Al-PTFE反应材料遭受机械、电或者激光刺激后，其将快速燃烧且爆炸，释放大量的化学热能和动能。与机械和电刺激相比，采用激光点火反应材料将不会生成有毒反应物，可避免意外撞击导致的爆炸，并且可以在超远距离激发反应材料的爆炸。因此，激光点火对于一些需要精确控制的应用将是首选，比如在化学推进系统中生成确定的推力或者石油勘测中的定点爆破。Al-PTFE反应材料被激发后反应程度和反应过程与反应材料的烧蚀深度和温度分布直接相关，因此可根据激光和Al-PTFE反应材料之间的化学反应机理，建立激光烧蚀Al-PTFE反应材料模型，预测Al-PTFE反应材料的温度分布和烧蚀深度，对于Al-PTFE反应材料的精准激光点火具有重要意义。
尽管已有一些实验研究分析了Al-PTFE反应材料的热反应过程，但是多数只把Al-PTFE反应材料反应当做均质材料，不考虑反应材料之间的化学反应，或者只是认为Al和PTFE之间直接反应，因此无法准确预测Al-PTFE反应材料的温度分布和烧蚀深度。因此，本发明理论分析和总结了激光烧蚀Al-PTFE反应材料的动态多物理过程，然后将反应材料划分为三个区域和阶段，充分考虑激光能量热沉积、化学反应动力学、相变和移动边界等因素对烧蚀过程的影响，建立高保真数值模型并且开发对应的数值求解方法，准确预测Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布。
当前业界尚无针对激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布的预测方法，采用此方法可以在Al-PTFE反应材料的实际应用中，一方面根据爆破或者推力需求，快速确定激光点火能量，另一方面可根据提供的激光能量预测反应材料温度分布，评估反应进程。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，能够精准预测激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布，以根据实际任务需求，确定Al-PTFE反应材料的激光点火能量，节省试验时间和试验成本，提高爆破或推力生成的精准度。
为实现上述目的，本发明提供一种激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，将激光和Al-PTFE反应材料之间的动态反应过程划分为固体层、气泡层和气体层三个区域以及固体-气泡界面层和气泡-气体界面层两个动态边界层。
固体层包含固态Al和固态PTFE，为均质材料；气泡层包含固态Al、熔融态Al、熔融态PTFE和气态C2F4，由液态溶液和气泡的组成。且气体层只发生PTFE的分解反应，Al和PTFE的分解产物C2F4在气体层中反应生成AlF3和C。
本发明中，烧蚀深度和温度分布预测方法具体包括如下步骤：
步骤1，读取Al-PTFE反应材料与激光的基本参数以及Al-PTFE反应材料的物性参数；
步骤2，根据上一时间步Al-PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体-气泡界面层和气泡-气体界面层的移动速度，并重新计算固体层和气泡层的长度；
步骤3，将固体-气泡界面层和气泡-气体界面层从移动界面层转换为固定边界层；
步骤4，将固体层视为单一的均质材料，计算其密度、导热系数和热容以及激光反射率和激光吸收系数，更新当前时间步固体层的热物性参数；
步骤5，根据上一时间步固体层的温度分布求解固体层的导热方程得到当前时间步固体层的温度分布；
步骤6，根据上一时间步气泡层的温度分布和质量分数分布更新当前时间步气泡层的热物性参数以及化学反应速率；
步骤7，求解组分守恒方程获得气泡层当前时间步的质量分数，并将质量分数导入能量守恒方程得到当前时间步气泡层的温度分布；
步骤8，重复步骤2-步骤7，经历M个时间步后，判断计算时长是否超过激光脉宽，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤2-步骤7；
步骤9，输出激光结束时刻时固体层和气泡层的长度，结合Al-PTFE反应材料的初始长度，得到烧蚀深度；
步骤10，综合固体层和气泡层的温度分布，将其重新转换为常规坐标系，输出Al-PTFE反应材料的温度分布。
本发明提供的一种激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，填补了业界在此方面的空白，可为Al-PTFE反应材料的研制中，提供廉价且方便的仿真实验分析，指导后续试验进行，同时根据工程应用，可快速确定激光点火能量，另一方面可根据提供的激光能量预测反应材料温度分布，评估反应进程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中激光烧蚀Al-PTFE反应材料的动态过程示意图；
图2为本发明实施例中预测方法的流程图；
图3为本发明实施例中坐标变化示意图，其中，(a)为坐标变换前的示意图，(b)为坐标变换前的示意图；
图4为本发明实施例示例中预测值与实验测量值对比图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本实施例公开了一种激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法(以下简称“本实施例方法”)，根据当前Al-PTFE反应材料的理论与实验研究，本实施例中将激光和Al-PTFE反应材料之间的动态反应过程划分为如图1所示的三个阶段和三个区域。
在第一个阶段中，激光开始辐射Al-PTFE反应材料，Al-PTFE反应材料温度持续升高。在Al-PTFE反应材料表面温度达到PTFE基质的熔点600K之前，Al-PTFE反应材料都处于固态，可视为固体层。由于此阶段温度低，停留时间短，因此可忽略当前阶段的化学反应而认为只存在热传导过程。
随后，PTFE基质温度上升到熔点后开始熔化并且发生分解反应，分解反应将生成气体，此时形成温度高于600K的气泡层，烧蚀过程进入第二个阶段。在第二个烧蚀阶段中，Al-PTFE反应材料可划分为固体层和气泡层两个区域，并且固体层的变化与第一个烧蚀阶段一致。气泡层中熔点为933K的Al最初仍然处于固态，并且和分解反应的气态产物以及熔融PTFE基质一起流动扩散。随着气泡层温度的升高，Al逐渐开始熔化，且伴随着PTFE基质的烧蚀而脱离气泡层进入气体层。根据PTFE在低压或者氮气环境下分解反应的实验研究，当其温度低于2000K时，PTFE的分解产物几乎都是C2F4。激光与Al-PTFE反应材料相互作用过程中，Al-PTFE反应材料的温度通常低于2000K，因此假设气泡层中的PTFE只发生如式(1)所示的一级分解反应。此时，气泡层中的主要成分为Al、熔融PTFE和C2F4，并且气泡层中的Al不与PTFE和C2F4发生化学反应。相变是导致气泡层左边界退缩的主要因素，而聚合物分解反应是导致气泡层右边界退缩的主要因素。
(C2F4)n→nC2F4 (1)
其中，(C2F4)n为聚四氟乙烯，C2F4为四氟乙烯。
当C2F4和Al从烧蚀表面脱离进入气体层时，此时进入烧蚀的第三个阶段，Al-PTFE反应材料可划分为固体层、气泡层和气体层三个区域。第三阶段的固体层和气泡层的变化与第二阶段相同。在气体层中，C2F4将进一步分解，但C2F4和其分解产物都将与铝颗粒发生放热化学反应，反应产物为氟化铝和炭黑。因此，通常采用式(2)所示的总化学反应式表征Al和C2F4之间的相互作用。随着烧蚀过程的进行，气体层中放热反应生成的热流将反作用于Al-PTFE反应材料表面，进一步促进推进剂的烧蚀和表面退缩。
4Al+3C2F4→4AlF3+6C (2)
其中，AlF3表示氟化铝，C表示炭黑。
基于激光和Al-PTFE反应材料相互作用的三个阶段，以Al-PTFE反应材料左侧边界为坐标原点，可将烧蚀过程中的Al-PTFE反应材料划分为固体层、气泡层和气体层三个区域以及固体-气泡界面层和气泡-气体界面层(亦称为烧蚀表面)两个边界层。表1总结了烧蚀过程中Al-PTFE反应材料所有区域和界面层的理化特性，表中L为Al-PTFE反应材料的长度，L(t)为Al-PTFE反应材料某一点的坐标(表示随时间变化的坐标)，Ls-f为固体-气泡界面层坐标，Lf-g为气泡-气体界面层坐标。
表1复合推进剂Al-PTFE中不同区域和界面层的理化特征
因气体层中只发生如式(2)的化学反应，因此可忽略气体层的具体过程，将其化学反应热视为气泡层的外热源，进而简化计算。参考图2，基于上述物理过程分析，针对激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法包含以下步骤：
步骤1，读取Al-PTFE反应材料与激光的基本参数以及Al-PTFE反应材料的物性参数，并设定网格数量N和时间步长dt。其中，Al-PTFE反应材料包括Al-PTFE反应材料的长度L0、初始温度T0以及各组元的质量分数，激光的基本参数包括激光的光强I、脉宽tl；Al-PTFE反应材料的物性参数包括Al和PTFE的密度、导热系数以及热容随温度变化的表达式，可通过查找材料手册获取。
步骤2，根据上一时间步Al-PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体-气泡界面层的移动速度Vs-f和气泡-气体界面层的移动速度Vf-g，重新计算固体层的长度ls和气泡层的长度lf。其具体实施过程为：
计算当前时间步中固体-气泡界面层的移动速度，为：
其中，Vs-f为固体-气泡界面层移动速度，ΔHmelt为相变潜热，ρs为固体层的密度，λs为固体层的导热系数，λf为固体层的导热系数，Tf为气泡层的温度，Ts为固体层的温度，Lf为气泡层的位置(即气泡层的区域)，Ls为固体层的位置(即固体层的区域)，t为时间。
气泡-气体界面层的移动速度亦为材料表面烧蚀速度，为：
其中，vs为烧蚀速度，Vf-g为气泡-气体界面层的移动速度，
为界面层处的PTFE体积分数，wRf为PTFE分解反应的反应速率。
根据界面层的移动速度，在每个新的时间步中，两个界面层的位置分别为：
(Lf-g)k+1＝(Lf-g)k-Vf-g·dt (5)
(Ls-f)k+1＝(Ls-f)k-Vs-f·dt (6)
其中，(Lf-g)k为第k时间步时气泡-气体界面层的位置，(Lf-g)k+1为第k+1时间步时气泡-气体界面层的位置，(Ls-f)k为第k时间步时固体-气泡界面层的位置，(Ls-f)k+1为第k+1时间步时固体-气泡界面层的位置，k为时间步数，dt为时间步长。
固体层和气泡层在新时间步中的长度，分别为：
(ls)k+1＝(Ls-f)k+1-0 (7)
(lf)k+1＝(Lf-g)k+1-(Ls-f)k+1 (8)
其中，(ls)k+1为第k+1时间步时固体层的长度，(lf)k+1为第k+1时间步时气泡层的长度。
步骤3，应用坐标变换方法，将固体-气泡界面层和气泡-气体界面层从移动界面层转换为固定边界层，并等比数列重新划分网格；
对于常规的水平坐标系，固体层和气泡层都可表示为：
其中，Lq、Lp均为一种表示方法，p、q无具体意义；{}是集合的意义，s表示固体层，f表示气泡层，o-s表示原点和固体层的界面层，s-f为固体-气泡界面层，f-g为气泡-气体界面层。
在任意时间步中，固体层和气泡层都可表示为式(9)和(10)所示的形式。采用式(12)和(13)所表示的坐标变换方法，可将固体层和气泡层由旧坐标系(如图3(a)所示)转换为新坐标系(如图3(b)所示)。此时，固体层和气泡层在新坐标系中都可表示为式(13)所示的形式。
τ＝t (11)
其中，τ为经过坐标变化后，旧坐标点中与新坐标系对应的时间项；Zq(τ)为旧坐标点中新坐标系的坐标项目。
步骤4，固体层求解：将固体层视为单一的均质材料，计算其密度ρs、导热系数λs和热容cp,s以及激光反射率α和激光吸收系数β，更新当前时间步固体层的热物性参数；
将固体层视为单一的均质材料，此时固体层的密度ρs、导热系数λs、热容cp,s、激光反射率α和激光吸收系数β由式(14)～(18)计算，即
cp,s＝xs,Alcp,Al+xs,PTFEcp,PTFE (15)
其中，ρAl为铝的密度，ρPTFE为聚四氟乙烯的密度，xs,Al为固体层中铝组元的质量分数，xs,PTFE为固体层中聚四氟乙烯组元的质量分数，cp,Al为铝的比热容，cp,PTFE为聚四氟乙烯的比热容，
为固体层中铝组元的体积分数，
为固体层中聚四氟乙烯组元的体积分数，αAl为铝的激光反射系数，βAl为Al的反射率，αPTFE为PTFE的激光吸收系数，βPTFE为聚四氟乙烯的激光反射系数，
为固体-气泡界面层处铝的体积分数，
为固体-气泡界面层处聚四氟乙烯的体积分数。λAl为Al的导热系数，λPTFE为PTFE的导热系数，Ts(L)为推进剂表面温度，Tmelt为PTFE的熔点。
步骤5，固体层求解：根据上一时间步固体层的温度分布求解固体层的导热方程获得当前时间步固体层的温度分布；
固体层的导热方程如式(19)所示，采用有限体积法可离散求解固体层的导热方程，获得固体层的温度分布：
其中，Se,s为能量源项，I0为激光光强，Ts(Ls-c)为固体-气泡界面层的温度，L0为推进剂的初始长度，Lf-g为气泡层长度，Ls-f为固体层长度，其中，采用有限体积法求解式(19)得到固体层的温度分布的过程为所属领域的常规手段，因此本实施例不再对其进行赘述。
步骤6，气泡层求解：根据上一时间步气泡层的温度分布和质量分数分布更新当前时间步的气泡层的密度、导热系数以及热容等热物性参数以及化学反应速率；
气泡层中的主要成分为Al、熔融PTFE和C2F4，并且气泡层中的Al不与PTFE和C2F4发生化学反应，将Al和PTFE视为液体溶液。因此，气泡层的密度ρf、导热系数λf和热容cp,f由式(21)～(25)计算，即
其中，
为气泡层的密度，
为气泡层的热容，
为气体体积分数，ρb为气泡的体积，cp,b为气泡的密度，ρl为液态溶液的密度，uf为气泡层的速度，ub为气泡的速度，cp,l为液体溶液的比热容，ul为液态溶液的速度，λb为气泡的导热系数，λl为液体溶液的导热系数，cp,li为液体溶液中组元i的比热容，λli为液体溶液中组元i的导热系数，Yli为液体溶液中组元i的质量分数。
需要注意的是，本实施例中没有过多介绍数值求解过程，因为采用的是常规求解方法，在数值求解过程中，必须用到上一时间步的结果，是所属领域公知的技术手段，因此本实施例中不再对其进行赘述。
气泡层中发生的反应主要包含气泡层内部的PTFE分解反应，如式(1)所示，以及气泡-气体界面层的Al和C2F4反应，如式(2)所示。这两个反应的反应速率均可由式(26)得到，为：
其中，wR为反应速率，
为气体体积分数，AR为指前因子，ER为活化能，R为理想气体常数，pl为液态溶液的密度，i表示组元。在具体实施过程中，对于不同的反应，AR和ER取不同的数值，对于式(1)和(2)的化学反应，AR和ER的取值如表2所示。
表2化学反应动力学参数
步骤7，气泡层求解：采用四阶Runge-Kutta方法求解组分守恒方程获得气泡层当前时间步的质量分数，将质量分数导入能量守恒方程得到当前时间步气泡层的温度分布；
气泡层中包含液体溶液(Al和熔融PTFE组成)和气泡(C2F4)，各组分分别满足下述守恒方程：
质量守恒方程，为：
其中，
为气泡的体积分数，ρb为气泡的体积，ub为气泡的速度，pl为液态溶液的密度，Lf为气泡层的长度，ul为液态溶液的速度。
液体溶液质量守恒方程，为：
其中，Sm,l为液态溶液中质量源速率。
液体溶液组分守恒方程，为：
其中，Yli为液态溶液中组元i的质量分数，Sm,li为液态溶液中组元i的质量源速率。
气泡质量守恒方程，为：
其中，Sm,b为气泡的质量源速率。
对于质量源速率，可根据化学反应速率计算，对于不同组元的质量源速率可由表3获取。
表3气泡层各组元的质量源项
利用四阶Runge-Kutta方法求解守恒方程(27)～(30)，可获得气泡层各组元的体积分数和质量分数。进一步将质量分数导入如式(31)～(34)所示的能量守恒方程，采用有限体积法离散可获得气泡层的温度分布，为：
Se,f＝Sp+Slaser (32)
Slaser＝(1-β)αI0exp(-α(Lf-g-Lf(t))) (33)
Sp＝wRfΔHRf (34)
其中，
为气泡层的密度，Pf为气泡层的压力，
为气泡层的比热容，Tf为气泡层的温度，uf为气泡层的速度，λf为气泡层的导热系数，Se,f为气泡层的质量源速率，Sp为分解反应产生的热流，Slaser为激光沉积产生的热流，wRf为气泡层的反应速率，ΔHRf为反应焓，其中，采用有限体积法求解式(31)得到气泡层的温度分布的过程为所属领域的常规手段，因此本实施例不再对其进行赘述。
步骤8，重复步骤2-步骤7，经历M个时间步后，判断计算时长是否超过激光脉宽，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤2-步骤7，其具体实施过程为：
M个时间步后，判断此时的计算时长M×dt是否大于激光脉宽tl，若大于则进入步骤9，否则继续重复步骤2～7。
步骤9，输出激光结束时刻时固体层和气泡层的长度，结合Al-PTFE反应材料的初始长度，得到烧蚀深度；
当激光停止辐射Al-PTFE反应材料时，Al-PTFE反应材料表面的烧蚀深度可由式(35)求解获得，即：
De＝L0-(Lf-g)n (35)
其中，De是烧蚀深度，(Lf-g)n是激光停止辐射时气泡-气体界面层的坐标。
步骤10，综合固体层和气泡层的温度分布，将其重新转换为常规坐标系，输出Al-PTFE反应材料的温度分布，其具体实施过程为：
计算求解获得的温度分布为新坐标系中的温度分布，根据式(12)和(13)所示的坐标变换方法反向转换为实际空间水平坐标，可获得Al-PTFE反应材料的温度分布。
参考图4，即为本实施例中预测方法分别预测激光脉宽恒定为8ns，不同激光能量密度的激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度，并且与实验测量数据比较的示意图。从图4可知，预测的元冲量和实验测量的元冲量相差较小，最大偏差小于10％，充分验证了本预测方法的正确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，将激光和Al-PTFE反应材料之间的动态反应过程划分为固体层、气泡层和气体层三个区域以及固体-气泡界面层和气泡-气体界面层两个动态边界层，所述烧蚀深度和温度分布预测方法具体包括如下步骤：
步骤1，读取Al-PTFE反应材料与激光的基本参数以及Al-PTFE反应材料的物性参数；
步骤2，根据上一时间步Al-PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体-气泡界面层和气泡-气体界面层的移动速度，并重新计算固体层和气泡层的长度；
步骤3，将固体-气泡界面层和气泡-气体界面层从移动界面层转换为固定边界层；
步骤4，将固体层视为单一的均质材料，计算其密度、导热系数和热容以及激光反射率和激光吸收系数，更新当前时间步固体层的热物性参数；
步骤5，根据上一时间步固体层的温度分布求解固体层的导热方程得到当前时间步固体层的温度分布；
步骤6，根据上一时间步气泡层的温度分布和质量分数分布更新当前时间步气泡层的热物性参数以及化学反应速率；
步骤7，求解组分守恒方程获得气泡层当前时间步的质量分数，并将质量分数导入能量守恒方程得到当前时间步气泡层的温度分布；
步骤8，重复步骤2-步骤7，经历M个时间步后，判断计算时长是否超过激光脉宽，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤2-步骤7；
步骤9，输出激光结束时刻时固体层和气泡层的长度，结合Al-PTFE反应材料的初始长度，得到烧蚀深度；
步骤10，综合固体层和气泡层的温度分布，将其重新转换为常规坐标系，输出Al-PTFE反应材料的温度分布。
2.根据权利要求1所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，其特征在于，所述固体层包含固态Al和固态PTFE，为均质材料；
所述气泡层包含固态Al、熔融态Al、熔融态PTFE和气态C2F4，由液态溶液和气泡的组成。
3.根据权利要求1或2所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤2中，所述根据上一时间步Al-PTFE反应材料的温度分布和体积分数分布，得到当前时间步中固体-气泡界面层和气泡-气体界面层的移动速度，具体包括如下步骤：
计算当前时间步中固体-气泡界面层的移动速度，为：
其中，Vs-f为固体-气泡界面层移动速度，ΔHmelt为相变潜热，ρs为固体层的密度，λs为固体层的导热系数，λf为固体层的导热系数，Tf为气泡层的温度，Ts为固体层的温度，Lf为气泡层的位置，Ls为固体层的位置，t为时间；
计算当前时间步中气泡-气体界面层的移动速度，亦为材料表面烧蚀速度，为：
其中，vs为烧蚀速度，Vf-g为气泡-气体界面层的移动速度，
为界面层处的PTFE体积分数，wRf为PTFE分解反应的反应速率。
4.根据权利要求3所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤2中，所述重新计算固体层和气泡层的长度，具体为：
根据两个界面层的移动速度，在每个新的时间步中，两个界面层的位置分别为：
(Lf-g)k+1＝(Lf-g)k-Vf-g·dt
(Ls-f)k+1＝(Ls-f)k-Vs-f·dt
其中，(Lf-g)k为第k时间步时气泡-气体界面层的位置，(Lf-g)k+1为第k+1时间步时气泡-气体界面层的位置，(Ls-f)k为第k时间步时固体-气泡界面层的位置，(Ls-f)k+1为第k+1时间步时固体-气泡界面层的位置，k为时间步数，Δt为时间步长；
固体层和气泡层在新时间步中的长度，分别为：
(ls)k+1＝(Ls-f)k+1-0
(lf)k+1＝(Lf-g)k+1-(Ls-f)k+1
其中，(ls)k+1为第k+1时间步时固体层的长度，(lf)k+1为第k+1时间步时气泡层的长度。
5.根据权利要求1或2所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤3中，所述将固体-气泡界面层和气泡-气体界面层从移动界面层转换为固定边界层，具体为：
对于常规的水平坐标系，固体层和气泡层都可表示为：
其中，p、q无具体意义，{}是集合的意义，s表示固体层，f表示气泡层，o-s表示原点和固体层的界面层，s-f为固体-气泡界面层，f-g为气泡-气体界面层；
采用坐标变换方法，可将固体层和气泡层上具有移动界面层的区域转换为固定边界层的区域，为：
τ＝t
其中，τ为经过坐标变化后，旧坐标点中与新坐标系对应的时间项；Zq(τ)为旧坐标点中新坐标系的坐标项目。
6.根据权利要求5所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤4中，固体层的密度、导热系数、热容、激光反射率和激光吸收系数的计算过程为：
cp,s＝xs,Alcp,Al+xs,PTFEcp,PTFE
其中，ρAl为铝的密度，ρPTFE为聚四氟乙烯的密度，xs,Al为固体层中铝组元的质量分数，xs,PTFE为固体层中聚四氟乙烯组元的质量分数，cp,Al为铝的比热容，cp,PTFE为聚四氟乙烯的比热容，
为固体层中铝组元的体积分数，
为固体层中聚四氟乙烯组元的体积分数，αAl为铝的激光反射系数，βAl为Al的反射率，αPTFE为PTFE的激光吸收系数，βPTFE为聚四氟乙烯的激光反射系数，
为固体-气泡界面层处铝的体积分数，
为固体-气泡界面层处聚四氟乙烯的体积分数，λAl为Al的导热系数，λPTFE为PTFE的导热系数，Ts(L)为推进剂表面温度，Tmelt为PTFE的熔点。
7.根据权利要求6所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤5中，所述根据上一时间步固体层的温度分布求解固体层的导热方程得到当前时间步固体层的温度分布，具体包括如下步骤：
固体层的导热方程为：
其中，Se,s为能量源项，I0为激光光强，Ts(Ls-c)为固体-气泡界面层的温度，L0为推进剂的初始长度，Lf-g为气泡层长度，Ls-f为固体层长度；
采用有限体积法离散求解固体层的导热方程，即固体层的温度分布。
8.根据权利要求5所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤6中，气泡层当前时间步的热物性参数为：
其中，
为气泡层的密度，
为气泡层的热容，
为气体体积分数，ρb为气泡的体积，cp,b为气泡的密度，ρl为液态溶液的密度，uf为气泡层的速度，ub为气泡的速度，cp,l为液体溶液的比热容，ul为液态溶液的速度，λb为气泡的导热系数，λl为液体溶液的导热系数，cp,li为液体溶液中组元i的比热容，λli为液体溶液中组元i的导热系数，Yli为液体溶液中组元i的质量分数。
9.根据权利要求6所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤6中，气泡层当前时间步的热物性参数的化学反应速率为：
其中，wR为反应速率，
为气体体积分数，AR为指前因子，ER为活化能，R为理想气体常数，pl为液态溶液的密度。
10.根据权利要求9所述激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法，其特征在于，步骤7具体包括如下步骤：
气泡层中包含液体溶液和气泡，各组分分别满足质量守恒、液体溶液质量守恒、液体溶液组分守恒与气泡质量守恒；
质量守恒方程为：
其中，
为气泡的体积分数，ρb为气泡的体积，ub为气泡的速度，pl为液态溶液的密度，Lf为气泡层的长度，ul为液态溶液的速度；
液体溶液质量守恒方程为：
其中，Sm,l为液态溶液中质量源速率；
液体溶液组分守恒方程为：
其中，Yli为液态溶液中组元i的质量分数，Sm,li为液态溶液中组元i的质量源速率；
气泡质量守恒方程为：
其中，Sm,b为气泡的质量源速率；
利用四阶Runge-Kutta方法求解各守恒方程，得到气泡层各组元的体积分数和质量分数；
进一步将质量分数导入如下能量守恒方程，为：，为：
Se,f＝Sp+Slaser
Slaser＝(1-β)αI0exp(-α(Lf-g-Lf(t)))
Sp＝wRfΔHRf
其中，
为气泡层的密度，Pf为气泡层的压力，
为气泡层的比热容，Tf为气泡层的温度，uf为气泡层的速度，λf为气泡层的导热系数，Se,f为气泡层的质量源速率，Sp为分解反应产生的热流，Slaser为激光沉积产生的热流，wRf为气泡层的反应速率，ΔHRf为反应焓；
采用有限体积法离散求解能量守恒方程，即得到气泡层的温度分布。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116239428A (zh) * | 2023-01-05 | 2023-06-09 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种液体推进剂及其制备方法和激光吸收深度测量系统及其测量方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100301013A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-12-02 | National University Of Ireland | Method for laser ablation |
| CN104950007A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-09-30 | 西安近代化学研究所 | 一种固体推进剂点火、燃速一体化测试装置 |
| CN105324832A (zh) * | 2013-03-22 | 2016-02-10 | 苏黎世联邦理工学院 | 激光烧蚀单元 |
| CN108138310A (zh) * | 2015-08-13 | 2018-06-08 | 利兹大学 | 通过激光烧蚀产生的离子的注入 |
| CN112084607A (zh) * | 2020-10-23 | 2020-12-15 | 中国人民解放军国防科技大学 | 激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法 |
| CN112378777A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-02-19 | 厦门大学 | 高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法 |
| WO2021142883A1 (zh) * | 2020-01-13 | 2021-07-22 | 清华大学 | 燃料电池低温启动性能预测方法及系统 |
-
2022
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100301013A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-12-02 | National University Of Ireland | Method for laser ablation |
| CN105324832A (zh) * | 2013-03-22 | 2016-02-10 | 苏黎世联邦理工学院 | 激光烧蚀单元 |
| CN104950007A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-09-30 | 西安近代化学研究所 | 一种固体推进剂点火、燃速一体化测试装置 |
| CN108138310A (zh) * | 2015-08-13 | 2018-06-08 | 利兹大学 | 通过激光烧蚀产生的离子的注入 |
| WO2021142883A1 (zh) * | 2020-01-13 | 2021-07-22 | 清华大学 | 燃料电池低温启动性能预测方法及系统 |
| CN112084607A (zh) * | 2020-10-23 | 2020-12-15 | 中国人民解放军国防科技大学 | 激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法 |
| CN112378777A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-02-19 | 厦门大学 | 高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| TANG L等: "Force Chains based Mesoscale Simulation on the Dynamic Response of Al-PTFE Granular Composites", 《DEFENCE TECHNOLOGY》, 31 December 2020 (2020-12-31) * |
| 张宇: "激光烧蚀磁等离子体推力器工质烧蚀特性及推进性能理论与实验研究", 《中国博士论文电子期刊》, no. 1, 15 January 2021 (2021-01-15) * |
| 张家雷;刘国栋;王伟平;刘仓理;: "激光对碳纤维增强复合材料的热烧蚀数值模拟", 强激光与粒子束, no. 08, 15 August 2013 (2013-08-15) * |
| 张领科;赵威;吴立志;: "AP/HTPB复合底排推进剂激光点火燃烧特性", 中国激光, no. 08, 10 August 2013 (2013-08-10) * |
| 彭国良;闫辉;刘峰;杜太焦;王玉恒;: "纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟", 中国光学, no. 02, 15 April 2013 (2013-04-15) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116239428A (zh) * | 2023-01-05 | 2023-06-09 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种液体推进剂及其制备方法和激光吸收深度测量系统及其测量方法 |
| CN116239428B (zh) * | 2023-01-05 | 2024-05-14 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种液体推进剂及其制备方法和激光吸收深度测量系统及其测量方法 |
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