《超短脈衝雷射輻照下參與性材料多態耦合熱效應研究》是依託哈爾濱工業大學，由阮立明擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超短脈衝雷射輻照下參與性材料多態耦合熱效應研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：阮立明
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超短脈衝雷射輻照下材料內多態耦合熱問題在雷射燒蝕、光學器件熱防護、雷射加工及晶體生長等領域具有重要套用背景，其熱量傳遞與溫度分布將對光學晶體的設計和製備、半透明陶瓷的雷射加工以及半透明材料的工業生產、燒蝕材料熱防護等過程產生顯著影響。本項目擬開展超短脈衝雷射與材料相互作用機理的研究，確立高熱流密度雷射照射下參與性材料的非平衡能量輸運過程和瞬時性態變化規律，考慮短脈衝與材料作用的非傅立葉效應，建立高熱流密度、多時間尺度、多相態瞬態耦合熱過程分析的物理模型及數學模型，研究不同時間尺度下超度脈衝雷射與非均勻材料的瞬態傳熱理論，分析影響脈衝雷射在參與性材料內能量傳輸及熱效應發展的多種因素，建立超短脈衝雷射輻照下材料內瞬態輻射-相變耦合熱過程的理論模型，探索材料光學特性分布的非均勻性與輻射－相變耦合傳熱的相互作用機制，揭示材料內高溫相變界面移動特性、傳熱機理和規律。
結題摘要
圍繞超短脈衝雷射輻照下參與性材料的光熱過程，本項目開展了以下幾方面研究：（1）超短脈衝雷射在參與性介質內的瞬態傳輸模擬，建立了模擬短脈衝雷射在參與性介質內傳輸的時域有限體積法模型，重點分析了瞬時信號的變化特性以及利用瞬時信號進行物性反演的可行性。提出了選取有效輻射信號時段的準則，該準則可以指導在短脈衝雷射與參與性介質相互作用的實驗測量中選取包含豐富有效的介質內部信息的時域輻射信號。模擬了Gauss脈衝入射下各向異性散射光學厚平板介質的時間分辨峰值反射信號，根據擬合的Boltzmann函式，能夠較為準確地重建峰值反射信號。建立了頻域輻射傳輸方程的數值求解模型。（2）瞬態輻射傳輸反演，瞬態輻射傳輸多出一個時間變數，豐富了探測信息，為反演參與性材料的輻射物性參數提供了新的手段，本研究分別利用短脈衝雷射與參與性材料作用後的時域或頻域信號進行了反演模擬。（3）雷射照射下瞬態導熱輻射耦合換熱反演，考慮能量方程，針對短脈衝雷射照射下參與性材料的熱現象，開展了瞬態導熱輻射耦合換熱研究，並利用光、熱信號反演了材料的熱物性，重構了材料內部缺陷的位置和尺寸。（4）短脈衝雷射照射下相變輻射耦合換熱反演，建立了相變參與性材料內熱傳遞的數值模型，模擬了相變材料內溫度分布、固糊界面和液糊界面的位置。利用邊界上隨時間變化的溫度作為測量值，同時反演了參與性材料的史蒂芬數和導熱輻射參數。（5）基於穩態光熱信號的反演研究，開展了反演算法研究，將微粒群算法、蟻群算法和果蠅算法等智慧型最佳化算法用於輻射反問題求解，通過邊界處的溫度和輻射熱流密度信息，反演了參與性材料介質的吸收係數、散射係數、導熱係數、導熱輻射參數、反照率和介質壁面發射率等物性參數。利用基於基函式展開法的Abel變換方法對圓柱對稱光學薄介質紅外輻射強度進行了反演研究。利用非接觸式的光學信號反演了含球形或橢球形粒子系的粒徑分布。（6）其他研究，開展了輻射傳輸數值模擬方法研究，建立了積分有限元法模型，將求解範圍擴展到二維線性各向異性散射介質內的輻射傳輸。建立了多孔隔熱材料的耦合熱傳遞數值模型。 本項目共發表文章23篇，其中SCI、EI雙檢6篇，EI單檢5篇；發明專利授權1項，受理12項；培養博士4名（已獲得學位2名，在讀2名），碩士6名。在短脈衝雷射的傳輸、輻射反問題的智慧型最佳化算法、相變輻射耦合等方面取得進展，研究成果為參與介質輻射光熱信號的利用提供前期理論支撐
