激光辐照热效应混合模拟方法

激光辐照热效应混合模拟方法张相华;束庆邦;杜太焦;王玉恒;陈志华【摘要】针对激光辐照热效应模拟中传统的有限元法对复杂几何结构和多次散射光处理能力较差的问题,在三维多物理场流-固耦合问题并行计算程序CFS中实现射线追踪-有限元模拟方法.与传统有限元法相比,该方法在有限元网格划分的基础上,采用射线追踪技术将各网格单元所吸收的辐照激光能量加入方程求解系统.对2A12硬铝材料腔体结构件激光辐照热效应的计算表明,该方法提高程序对计算模型几何结构复杂性的适应能力,解决多次散射光存在时传统方法难以准确描述辐照激光能量在求解区域中分布的问题,从而有效扩展CFS程序的使用范围.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2012(021)004【总页数】5页(P36-39,42)【关键词】射线追踪;激光辐照;热效应;多次散射光;有限元;CFS【作者】张相华;束庆邦;杜太焦;王玉恒;陈志华【作者单位】西北核技术研究所,西安710024;西北核技术研究所,西安710024;西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024;西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024;西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024【正文语种】中文【中图分类】TN244;TB115.10 引言激光辐照热效应是激光与物质相互作用的重要研究内容之一，多年来一直受到国内外众多学者的关注.ZHAO等［1］研究激光辐照下HgCdTe探测器的热效应;王玉恒等［2］和刘峰等［3］研究激光辐照下结构件的热响应;刘全喜等［4］采用有限元法研究光伏型光电探测器的激光加热效应;唐芳等［5］用数值模拟研究激光辐照下的皮肤热效应;孙承伟［6］归纳和总结国内外学者的研究成果.上述研究工作主要基于几何结构简单的计算模型，未涉及入射激光在模型中多次散射的问题.射线追踪-有限元模拟方法综合射线追踪技术和有限元法的优点，可以有效模拟入射能量在复杂结构中的传输与分布.近年来，关于射线追踪-有限元模拟方法的研究逐渐增多，GRUHLKE［7］利用该方法成功实现NPSAT1卫星的热分析;FIALA等［8］采用该方法在MATLAB中开发光学照明系统的数值模拟程序;ZIEMELIS［9］介绍该方法在电磁散射问题中的应用;ZHANG等［10］采用该方法研究面泵浦激光二极管内三维应力场和温度场的分布.虽然射线追踪-有限元模拟方法已经在多个领域取得成功应用，但是在激光辐照热效应研究方面尚未见到相关的文献报道.本文在三维多物理场流-固耦合问题并行计算程序CFS中实现激光辐照热效应的射线追踪-有限元模拟方法，并以2A12硬铝材料腔体结构件为例，采用该方法计算其在激光辐照下的温度场分布，分析该方法与传统有限元法计算结果的差异，并探讨存在多次散射光时射线追踪-有限元模拟方法的优越性.1 基本理论射线追踪-有限元模拟方法是一种将射线追踪技术与有限元法联合起来对物理问题进行求解的数值模拟方法.在激光辐照热效应问题求解中，在激光光源位置随机产生大量沿激光传输方向的射线;追踪这些射线，获取射线在计算模型有限元网格中的沉积情况，从而得到每个有限元网格所吸收的激光能量，进而实现物理问题的求解.1.1 射线追踪技术简介射线追踪技术实质上是一种近似模拟方法，适用于空间特征尺寸远大于电磁辐射波长条件下的电磁辐射的散射、传输和透射等问题.在激光辐照热效应问题求解中，如果入射激光仅被计算模型表面吸收，那么可按图1所示的流程进行射线追踪计算.图1 激光辐照热效应中射线追踪计算流程Fig.1 Calculation process of ray tracing in laser irradiation thermal effects由图1可知，在射线追踪计算流程中存在激光光源的随机抽样、射线与边界单元表面第一个交点的计算和交点处新射线的产生等3个关键步骤.激光光源的随机抽样要求随机抽样的位置应能准确反映激光的强度分布信息，如对于均匀激光，应产生服从均匀分布的高质量随机数.［11］在计算射线与边界单元表面第一个交点时，主要困难是计算区域可能存在多个边界单元，若直接求解，则会面临大量的空间直线与空间直线(或空间平面)相交问题的计算，导致计算速度缓慢，因此，在计算射线与边界单元表面第一个交点时引入加速算法.以三维问题为例，本文通过八叉树技术将边界单元进行分组，使得需要求解的空间直线与空间平面相交问题的数目由N降至log8N，大大提高计算效率.至于交点处新射线的产生，则要保证其方向服从一定的物理规律，本文假定计算模型具有灰体性质，交点处新产生射线的方向遵守Lambert定律.1.2 热传导问题的有限元求解对于一般的三维热传导问题，瞬态温度场的场变量 T(x，y，z，t)在直角坐标系中满足式(1)所示的偏微分控制方程［12-13］式(1)的边界条件有3类，分别为式中:ρ为材料密度，kg/m3;c为材料比热容，J/(kg·K);t为时间，s;kx，ky和 kz分别为材料沿x，y和z方向的热导率，W/(m·K);Q=Q(x，y，z，t)为体热源密度，W/kg;nx，ny和nz为边界法线的方向余弦;T=(Γ，t)为在Г1边界上的给定温度，K;q=q(Г，t)为在Г2边界上的给定热流密度，W/m2;h为表面传热系数，W/(m2·K);对于Г3边界，Ta=Ta(Г，t)在自然对流条件下为外界环境温度，在强迫对流条件下为边界层的绝热壁温度.此外，求解瞬态温度场还应给定初始条件由变分原理和Galerkin近似，经推导可以得到式(1)的积分形式为:将求解域Ω离散为有限个单元体，单元内的温度T可近似用单元节点温度Ti插值得到，即式中:ne为单元节点数目;Ni(x，y，z，t)为插值函数.将式(5)代入式(4)，并考虑δTi的任意性，即可得到用于确定n个节点温度Ti的有限元求解方程式中:C为热容矩阵;K为热导矩阵;P为温度载荷列阵;T为节点温度列阵.图2 腔体结构示意Fig.2 Schematic diagram of cavity structure采用传统有限元法时，首先用几何方法确定腔体的激光辐照区域，然后将入射激光能量等效为热流边界施加到该区域;采用射线追踪-有限元模拟方法时，通过射线追踪方法从光源出发追踪大量射线，得到入射激光能量在腔体内的准确分布.20.0 s时腔体三维温度场分布见图3.2 数值算例假设一个腔体结构由六面体一端挖去一个小六面体形成，其示意见图2，外围六面体几何尺寸为0.20 m ×0.20 m ×0.30 m，挖去部分几何尺寸为0.10 m ×0.10 m ×0.25 m.假定腔体由 2A12 硬铝材料构成，其激光吸收因子取为0.25，不同温度下该材料的比热容、热导率和发射系数等选取文献［14］和［15］中的给定值.在腔体模型中建立原点位于六面体中心、坐标轴方向如图2所示的坐标系.假设功率密度为 1.5 kW/cm2的均匀激光沿(45.0°，90.0°，－45.0°)方向辐照腔体，并假设激光光斑形状为矩形，分别采用传统有限元法和射线追踪-有限元模拟方法计算激光辐照下腔体温度场分布情况.图3 20.0 s时腔体三维温度场分布，℃Fig.3 Temperature field 3D distribution of cavity at 20.0 s，℃由图3可知，与传统有限元法相比，射线追踪-有限元模拟方法计算所得腔体最高温度大约增加58.6℃，且具有更大范围的高温区域.这主要是因为2A12硬铝材料对激光吸收系数较小(计算时取0.25)，当入射激光首次到达腔体表面时，只有小部分能量被直接吸收，大部分能量以散射光的形式在腔体内重新分布或逸出腔体，使腔体接收激光能量的实际面积和吸收的实际激光能量均大于传统有限元法的描述. 为进一步研究多次散射光的影响，选取光斑中心(0.05，0.0，0.1)及其 yOz平面对称点(－0.05，0.0，0.1)绘制节点温度-时间曲线，见图 4.图4 光斑中心及其yOz平面对称点温度随时间的变化Fig.4 Temperature-time curves at light spot center and its symmetry point about yOz plane由图4可知，光斑中心温度的射线追踪-有限元模拟方法计算结果明显大于传统有限元法计算结果，说明腔体内部存在较强的多次散射光，光斑中心所吸收的能量是入射激光能量与多次散射光能量之和.采用射线追踪-有限元模拟方法计算时，光斑中心yOz平面对称点温度随时间的增加而上升，20.0 s内累积温升约为173.7℃;采用传统有限元法计算时，该点温度在20.0 s计算时间内保持初始温度(22.7℃)不变，说明20.0 s时该点尚未受到热传导影响，节点温升由多次散射光引起，再次证明腔体内存在较强的多次散射光.图3和4表明，当激光辐照如图2所示的2A12硬铝材料腔体结构件时，由于腔体内存在较强的多次散射光，使得传统有限元法无法准确描述入射激光能量在腔体内的分布与沉积，导致计算偏差较大.因此，当由吸收系数较小的材料构成的腔体结构件被激光辐照时，腔体内会产生较强的多次散射光，腔体实际吸收激光能量的表面积和吸收的激光能量均难以直接描述，传统有限元法已不再适用，而射线追踪-有限元模拟方法对复杂入射边界具有很好的适应能力，可方便地求解该类问题.3 结束语与传统有限元法相比，射线追踪-有限元模拟方法对计算模型几何复杂性具有更强的适应能力，可用于求解入射激光在计算模型中多次散射的问题，适用范围更广泛. 对2A12硬铝材料腔体结构激光辐照热效应的计算表明:当材料激光吸收系数较小、腔内多次散射光较强时，射线追踪-有限元模拟方法比传统有限元法在准确描述计算区域内入射激光能量分布方面存在明显优势，能够有效降低该类问题求解难度. 参考文献:【相关文献】［1］ZHAO Jianhua，LI Xiangyang，LIU Hua，et al.Thermal effect in laser-HgCdTe interaction［J］.Int Soci Opt Eng，1998(3436):961-969.［2］王玉恒，刘峰，陈林柱，等.强激光辐照下充压壳体损伤特征温度分析［J］.固体火箭技术，2008，31(5):512-516.WANG Yuheng，LIU Feng，CHEN Linzhu，et al.Analysis of characteristic temperature on damage of pressurized metal shell irradiated by intense laser 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一 , 等离子体发展模型和膨胀模型1）在脉冲激光微加工中主要等离子体模型有：纳秒激光与物质相互作用中的单温模型飞秒激光与物质相互作用中的双温模型和库伦爆炸模型2）在研究激光辐照固体靶蒸汽等离子体形成时有动态烧蚀耗能模型和光线跟踪激光能量等离子体吸收模型。

3）其他的一些模型三温与多温电子等离子体自由膨胀的理论模型。

自相似解成功地再现了在激光等离子体自由膨胀中离子速度分布呈现的三峰和多峰结构,这些结构已在激光打靶的实验中频繁地观察到。

二，等离子体参数的测量的方法等离子的体的基本参数有：电子温度，电子密度等。

而这些参数都可以利用实验来测得。

例如利用光谱测量的光谱展宽，然后利用origin拟合曲线再萨哈方程就能计算得到粒子的电子温度和电子密度了。

三，激光支持燃烧波（LSCW）和爆破波（LSDW）的产生与传播，LSCW和LSDW 的分类法，基本结构，区别与判断方法。

LSCW向LSDW转化机制。

激光维持的燃烧波（LSC）和爆轰波（LSD）较强的激光束辐照于靶面时，使得靶蒸汽或者靶面附近的环境气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区。

被吸收的激光能量转化为该区气体（或等离子体）的内能，与流动发生耦合，按照气体动力学的规律运动。

等离子体的一部分能量将以辐射的形式耗散，被凝聚态靶或周围气体所吸收。

这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动通常称为激光吸收波。

主要的激光吸收区最终总是在环境气体中形成。

在极高光强下，真空环境中的把蒸汽也会产生激光吸收波。

对于LSC，前面运动的冲击波对激光是透明的，等离子体区域是激光的吸收区。

以亚声速向前推进，依靠输运机制（热传导、热辐射和扩散）时期前方冷气体加热和电离，维持LSC及其前方冲击波的传播，波后是等离子体区，等离子体温度为1~3eV。

对于LSD，冲击波阵面就是激光吸收区，被吸收的激光能量直接支持冲击波前进，LSD波相对于波前介质超声速运动，等离子体温度为10eV到几十电子伏。

此冲击波压缩前方的气体，使之升温电离、吸收激光，成为新的波阵面，上溯激光入射方向继续传播。

激光与生物组织光热效应的国内研究进展作者：夏文财来源：《科教导刊·电子版》2017年第09期摘要从上世纪60年代第一台红宝石激光器问世以来，激光与生物组织相互作用的研究就迅速开展起来，并在军事领域和医学领域得到了广泛的应用。

本文简要介绍了激光与生物组织光热效应在国内的发展。

关键词激光生物组织热效应中图分类号：R312 文献标识码：A激光作用于生物组织时产生的各种效应是激光在军事、医学等多个领域应用的基础。

激光辐照生物组织时，由于生物组织在结构上和组成成分上的复杂性以及激光各项参数的变化，将导致其相互作用机理发生改变，激光辐照生物组织产生的各种效应可分为：光化学作用、光热作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除以及光致破裂五类。

我国这方面的研究起始于上世纪八十年代，在国际大环境的影响下，众多学者和单位先后进行了该领域的研究，主要有福建师范大学物理与光电信息科技学院的谢树森、李辉教授，华中科技大学生命科学与技术学院院长骆清铭教授，天津大学的范世福、刘迎、徐可欣、李小霞教授，华南师范大学激光生命科学研究所的邢达教授及朱丹博士、刘静博士和他们所在的团队，他们在激光与生物组织作用机理领域进行了大量的工作，为我国的科技进步做出了卓越的贡献。

在组织光学领域取得的成绩主要有：山东大学的魏守水、任晓楠、高迪，南开大学的张春平、许棠等学者-对光能量在生物组织中的传播及分布情况进行了深入研究，并通过蒙特卡罗方法仿真分析了光子在多层组织中的传输过程，得出不同的入射激光参数对组织中光能分布的影响；同时，张春平、许棠采用光纤探测技术对生物组织的光分布进行了测量，进而得出了组织的各项光学参数。

上海交通大学的黄梅珍、丁海峰对光子在皮肤组织中的传输进行了蒙特卡罗模拟，并对皮肤组织的光学特性进行了实验研究。

大连理工大学的丁建华、郝素丽用蒙特卡罗法对多种波长的激光辐照生物组织时，组织内的光能分布进行了模拟，得到了激光波长的变化对光能分布的影响。