高功率激光与水下物质相互作用过程与机理研究

摘要

该文从理论和实验上全面研究了高功率激光与液体中物质相互作用过程中激光等离子体冲击波的传播特性、激光空泡动力学以及空化空蚀的作用机制,并对有关特征参数进行了实验测试和数值计算研究.根据点爆炸球对称冲击波在自由空间中传播的约束条件,首次提出了空气中激光等离子体球对称冲击波在衰减阶段的传播规律,建立了强冲击波运动规律与波源热力学参量、介质声学特性参量之间的关系.该点爆炸冲击波传播方程克服了经典Taylor模型在描述冲击波离爆心不远处或运动晚期与实际过程明显不符的缺陷.从理论和实验两个方面验证了Taylor解是该冲击波运动方程在中场阶段的近似形式.得到了冲击波波阵面处温度、压强、气体密度和粒子运动速度等参数的时空变化规律.基于液体中激光等离子体冲击波非完全中心对称结构,首次提出了液体中激光等离子体冲击波等效旋转椭球面波前传播模型,揭示了旋转椭球面冲击波向球面波衰减演化过程中冲击波波后物理特性参量的变化规律.论证了点源球面冲击波是旋转椭球面冲击波的特例.采用自行研制的基于光纤耦合的光束偏转测试系统,实验研究了高功率激光烧蚀水下靶材时所产生的激光等离子体冲击波、激光空泡及其空泡溃灭诱导的冲击波等物理现象.系统分析了激光等离子体冲击波的时空变化规律、等离子体冲击波与空泡膨胀壁的分离过程、空泡的脉动特性以及空泡溃灭诱导的冲击波形成机制.进而根据空泡动力学方程,结合实验测试结果得到了空泡在实际脉动中腔内含气量的变化规律;以及空泡能量和腔内含气量对空泡脉动影响的竞争关系.实验系统研究了空蚀机制对激光打孔效率的影响,并根据实验结果提出了当无量纲参数γ介于0.67和0.96之间时,空化空蚀机制以空泡溃灭产生的射流冲击效应为主;而当γ>0.95或γ<0.67时,空蚀损伤机制以空泡溃灭产生的冲击波损伤为主.该文研究结果可为水下激光加工、激光医疗和相关流体力学的研究,即避免空化带来的危害,同时也为合理利用空化现象提供理论和实验依据.

目录

文摘

英文文摘

1.激光与液态物质作用过程及机理研究进展

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 研究进展

1.4 本文的主要研究工作

2.空气中激光等离子体冲击波传播特性研究

2.1 冲击波的基本关系式

2.2 空气中点源激光等离子体冲击波波前运动方程

2.3 空气中激光等离子体冲击波的实验测试

2.4 激光等离子体空气冲击波波前特征参量的确定

2.5 本章小结

3.液体中激光等离子体冲击波传播特性研究

3.1 液体中冲击波的形成和发展

3.2 水下冲击波的基本关系式

3.3 水下激光等离子体冲击波旋转椭球面波前运动方程

3.4 液体中激光等离子体冲击波前的实验测试研究

3.5 本章小结

4.空泡动力学特性研究

4.1 空化气泡的一般特性

4.2 球形单空泡动力学的理论研究

4.3 球形单空泡动力学的实验研究

4.4 讨论与分析

4.5 本章小结

5.空蚀机制的实验研究

5.1 空蚀破坏实例与空蚀机制

5.2 空蚀机制的实验研究

5.3 空蚀机制与参数γ的关系

5.4 本章小结

6. 总结

6.1 总结

6.2 研究展望

攻读博士学位期间发表的论文及攻博期间参与科研项目

致谢

参考文献