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单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

刘嘉锡 伍俊英 杨利军 李姚江 吴姣姣 鲁建英 陈朗

刘嘉锡, 伍俊英, 杨利军, 等. 单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
引用本文: 刘嘉锡, 伍俊英, 杨利军, 等. 单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
Liu Jiaxi, Wu Junying, Yang Lijun, et al. Analysis of thermal effect on explosives of single-pulse femtosecond laser ablation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
Citation: Liu Jiaxi, Wu Junying, Yang Lijun, et al. Analysis of thermal effect on explosives of single-pulse femtosecond laser ablation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
基金项目: 爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金项目(KFJJ20-04M)
详细信息
    作者简介:

    刘嘉锡(1994—),男,博士研究生,从事激光与物质相互作用等研究;305484560@qq.com

    通讯作者:

    伍俊英(1976—),女,副教授,博导,从事激光与物质相互作用、含能材料热安全性等研究;wjy1312@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TJ55

Analysis of thermal effect on explosives of single-pulse femtosecond laser ablation

  • 摘要: 飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明:TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。
  • 图  1  飞秒激光烧蚀炸药的原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of femtosecond laser ablation of explosive

    图  2  飞秒激光烧蚀炸药的流固耦合计算模型示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of fluid-solid coupling calculation model of femtosecond laser ablation of explosive

    图  3  空气域中压力分布图(200 μJ)

    Figure  3.  Pressure distribution in the air(200 μJ)

    图  4  空气域中等离子体相分布图(200 μJ)

    Figure  4.  Plasma distribution in the air(200 μJ)

    图  5  空气域中温度分布图 (200 μJ)

    Figure  5.  Temperature distribution in the air(200 μJ)

    图  6  TNT炸药固体未烧蚀区域的温度分布图(200 μJ)

    Figure  6.  Temperature distribution in the unablated zones of TNT(200 μJ)

    图  7  TNT中温度监测点的位置示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of the temperature monitors in TNT

    图  8  TNT固体中各监测点温度随时间变化图

    Figure  8.  Temperature changes over time at each temperature monitoring point in TNT

    图  9  TNT固体中轴向不同监测点温度随时间变化曲线

    Figure  9.  Temperature changes over time at each axial temperature monitoring point in TNT

    图  10  TNT固体中径向不同监测点温度随时间变化曲线

    Figure  10.  Temperature changes over time at each radial temperature monitoring point in TNT

    表  1  TNT的物性参数

    Table  1.   Physical properties of TNT

    explosivedensity/(kg·m−3specific thermal capacity/(J·kg−1·K−1thermal conductivity/(W·m−1·K−1ignition temperature/K
    TNT1 5801 3800.5513
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    表  2  TNT的多步热分解反应动力学参数

    Table  2.   Kinetic parameters of multi-step thermal decomposition reaction of TNT

    stepE/(kJ·mol−1Z/s−1Q/(kJ·kg−1
    1200.0006.0×1014−125.575
    2144.4121.957×10123 767.267
    3140.2262.391×10133 592.840
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-09
  • 修回日期:  2020-05-20
  • 网络出版日期:  2020-06-04
  • 刊出日期:  2020-06-24

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
    基金项目:  爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金项目(KFJJ20-04M)
    作者简介:

    刘嘉锡(1994—),男,博士研究生,从事激光与物质相互作用等研究;305484560@qq.com

    通讯作者: 伍俊英(1976—),女,副教授,博导,从事激光与物质相互作用、含能材料热安全性等研究;wjy1312@bit.edu.cn
  • 中图分类号: TJ55

摘要: 飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明:TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。

English Abstract

刘嘉锡, 伍俊英, 杨利军, 等. 单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
引用本文: 刘嘉锡, 伍俊英, 杨利军, 等. 单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
Liu Jiaxi, Wu Junying, Yang Lijun, et al. Analysis of thermal effect on explosives of single-pulse femtosecond laser ablation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
Citation: Liu Jiaxi, Wu Junying, Yang Lijun, et al. Analysis of thermal effect on explosives of single-pulse femtosecond laser ablation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
  • 飞秒激光具有超短的脉冲宽度和超高的峰值功率密度,利用飞秒激光的这种特性,可以对多种材料进行精密加工和表面处理[1]。在飞秒激光与物质作用的过程中,激光的持续时间远小于受激电子将能量传递到周围晶格的时间,这避免了热量的传递,使激光作用区域以外的物质不易受到热传导或热应力的作用[2];激光聚焦区域内的物质能够直接从初始状态转变为高温高压等离子体,等离子体向外喷溅的同时几乎带走全部的热量。与长脉冲激光相比,飞秒激光从根本上改变了激光与物质的作用机制,能够实现对物质的“冷加工”[3]。飞秒激光的这种“冷加工”特性,使其在含能材料的精细加工等方面得到了应用。1998年,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Roeske等人[4]采用飞秒激光对炸药进行了切割加工,首次证实了飞秒激光安全切割炸药的可行性。2002年,该实验室的Roos等人[5]研究了飞秒激光切割加工炸药过程中,炸药试件的移动速度对加工过程安全性的影响,他们发现在4~40 mm/min的移动速度范围内,炸药试件的移动速度越快,越不容易产生热效应。2007年,美国圣地亚国家实验室的Palmer等人[6]采用飞秒激光实现了对药柱的三维精细加工,加工出了直径小于200 μm的HNS微型药柱。2009年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Mcgrane等人[7]采用飞秒激光,在PETN,RDX和HMX三种炸药中均加工出了亚微米直径的微孔隙,并通过拉曼光谱技术证实了在加工微孔处没有化学反应发生。从上述研究结果来看,美国已在飞秒激光加工炸药方面进行了一些研究,但他们仅从实验角度定性地证实了飞秒激光安全加工炸药的可行性。目前,人们在对飞秒激光加工炸药过程中,未加工炸药内部的热效应及温度变化规律还不清楚,且还没有建立相应的理论模型和计算方法。

    在飞秒激光烧蚀炸药的过程中,炸药在加热条件下会发生自热反应,在烧蚀区域附近的炸药中可能会产生热效应导致温度升高,引起燃烧或爆炸等危险事故。因此,需要深入开展飞秒激光烧蚀炸药过程的热安全性研究,获取在飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部温度分布和变化规律,掌握飞秒激光安全加工炸药的基本原则。本文采用流体力学数值计算方法,考虑了等离子体对周围物质的加热作用和炸药自热反应放热,研究炸药在飞秒激光作用下的热效应,分析炸药内部的温度分布及变化,为飞秒激光加工炸药的热安全性研究提供理论依据。

    • 在飞秒激光烧蚀炸药的过程中,当飞秒激光聚焦到炸药表面后,聚焦区域内的炸药瞬间发生光解电离反应,产生高温高压等离子体,等离子体沿激光入射方向喷溅,炸药被烧蚀去除。如果炸药周围是空气等介质,在等离子体高速膨胀压缩的作用下,会在介质中形成冲击波。同时,在炸药内部,由于受到高温高压等离子体和炸药自热分解反应的共同作用,在激光烧蚀区域附近会产生一定的热效应。图1是飞秒激光烧蚀炸药过程的原理示意图。

      图  1  飞秒激光烧蚀炸药的原理示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of femtosecond laser ablation of explosive

      飞秒激光烧蚀炸药的过程极短,且整个过程涉及复杂的物理、化学作用,在计算中要完整的描述整个作用过程非常困难。因此,本文对计算模型进行了如下假设:

      (1)忽略飞秒激光能量在空气传播过程中的损失,认为飞秒激光能量全部被炸药吸收,并直接转化为炸药等离子体产物内能;

      (2)由于炸药等离子体产物形成时间(ps~ns)远小于等离子体的扩散时间(μs~ms)[8],因此不考虑炸药相变过程,认为在计算初始时刻,烧蚀区域内炸药已完全相变为等离子体,等离子体还未来得及向空气中扩散,且等离子体的初始密度和炸药固体密度一致;

      (3)炸药的热容和热导为常数,不随温度变化。

      将飞秒激光烧蚀炸药过程近似为流体力学过程,建立飞秒激光烧蚀炸药的流固耦合计算模型,如图2所示。由于飞秒激光烧蚀炸药过程呈轴对称分布,为了减小计算量,建立的计算模型为二维轴对称模型。其中,空气域长为4 cm(沿x方向),宽为4 cm(沿r方向);炸药宽为4 cm(沿r方向),厚度为200 μm(沿x方向);等离子体的总宽度为飞秒激光聚焦光斑直径,为50 μm,等离子体的厚度为炸药的烧蚀深度。计算域的初始温度为300 K,初始压力为0.1 MPa。

      图  2  飞秒激光烧蚀炸药的流固耦合计算模型示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of fluid-solid coupling calculation model of femtosecond laser ablation of explosive

      在飞秒激光烧蚀炸药的过程中,炸药对激光能量的吸收系数会影响激光对炸药的烧蚀深度。然而,目前还没有可参考的有关炸药对飞秒激光能量吸收系数的可靠数据,且吸收系数不仅与激光的参数有关,还与炸药自身的物性参数有关。因此,在本文的计算过程中,不考虑炸药对激光的吸收系数,认为全部激光能量以一定的烧蚀深度沉积在炸药内,而烧蚀深度可以参考文献来设定。Michael等人通过实验研究表明,单脉冲飞秒激光作用下,激光对炸药的烧蚀深度为0.01~1.00 μm[9]。由于本文主要是对飞秒激光加工炸药过程中,未加工炸药区域的热效应进行分析,评估炸药在被加工过程的热安全性能。因此,在本文的计算中,将炸药的烧蚀深度设为1.00 μm,对炸药受热影响最严重的情况进行分析。计算中,飞秒激光能量分别为100,200和500 μJ,激光脉宽为150 fs;炸药为TNT,其物性参数如表1所示。

      表 1  TNT的物性参数

      Table 1.  Physical properties of TNT

      explosivedensity/(kg·m−3specific thermal capacity/(J·kg−1·K−1thermal conductivity/(W·m−1·K−1ignition temperature/K
      TNT1 5801 3800.5513
    • 由上述假设可知,在计算初始时刻,激光烧蚀区域内的炸药全部转变为高温高压等离子体,且等离子体的初始密度可等效为炸药固体的密度。飞秒激光烧蚀炸药产生等离子体过程的能量守恒方程可简化为一维热传导方程,即

      $$\rho c\frac{{\partial T}}{{\partial t}} = \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\lambda \frac{{\partial t}}{{\partial x}}} \right) + {q_{\rm{v}}}$$ (1)

      式中:ρ为炸药密度(kg/m3),也即为等离子体初始密度;c为炸药比热容[J/(kg·K)];λ为炸药热导率[W/(m·K)];T为等离子体温度(K);x为热扩散距离(m);qv为入射飞秒激光能量密度(W/m3)。

      由于在飞秒激光作用下,热量来不及以热传导形式向周围未加工区域扩散,因此可以忽略式(1)中的右边第一项,即热传导项部分。因此,式(1)可以化简为

      $$\rho c\frac{{\partial T}}{{\partial t}} = {q_{\rm{v}}}$$ (2)

      将上式积分,即可得到等离子体的温度T

      采用理想气体状态方程$pV = nRT$来描述高温高压等离子体运动行为。其中,p为等离子体压力(Pa),V为等离子体的体积(m3),n为被烧蚀炸药物质的量(mol),R为气体常数[J/(mol·K)]。由于等离子体在微秒到毫秒量级的时间才开始扩散[8],因此等离子体的初始体积可视为炸药被烧蚀的体积。根据式(2)和理想气体状态方程,可以计算获得烧蚀区域内等离子体的初始温度和压力。飞秒激光能量为200 μJ时,等离子体的初始温度和压力分别为46 738 K和2.36×109 Pa。

    • 等离子体在空气中膨胀并压缩周围空气形成冲击波,等离子体在不断的扩散过程中会向周围介质辐射能量,使得等离子体的压力和温度迅速下降。等离子体扩散运动过程遵循质量、动量和能量守恒方程,其方程组为

      $$\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \nabla \cdot (\rho {{v}}) = 0$$ (3)
      $$\frac{{\partial (\rho {{v}})}}{{\partial t}} + \nabla \cdot (\rho {{v}} {{v}}) - \rho {{F}} - \nabla p = 0$$ (4)
      $$\rho \Bigg(\frac{{\partial E}}{{\partial t}} + ({{v}} \cdot \nabla )E\Bigg) = - p\nabla \cdot {{v}} - {Q_{{\rm{rad}}}}$$ (5)

      式中:ρ为等离子体密度;${{v}}$为等离子体速度(m/s);F为单位质量力;E等离子体内能(J);p为等离子体压力;Qrad为等离子体辐射能量损失(W/m3)。

      在等离子体膨胀过程中,等离子体会以热辐射的方式,向周围空气和炸药传递能量,使它们温度上升,同时损失自身能量,不断冷却。等离子体辐射强度I(W/m2)的运输方程[10]和辐射损失能量Qrad的表达式分别为[11-12]

      $$\frac{{{\rm{d}}I}}{{{\rm{d}}s}} = - (\alpha + {\sigma _{\rm{s}}})I + \alpha {n^2}\frac{{\sigma {T^4}}}{{\rm{{\text{π}} }}} + \frac{{{\sigma _{\rm{s}}}}}{{4{\rm{{\text{π}}}}}}\int_0^{4{\rm{{\text{π}} }}} {I{\mathit{\Phi}} } {\rm{d}}\Omega $$ (6)
      $${Q_{{\rm{rad}}}}{\rm{ = }}\alpha I - 4\alpha {n^2}\sigma {T^4}$$ (7)

      式中:s为辐射能量在介质中传播距离(m);ασsn分别为吸收系数(1/m)、散射系数(1/m)和折射系数;σ为斯蒂芬-玻耳兹曼系数(J/K);T为等离子体温度(K);Φ为相位函数;Ω为空间立体角(sr)。

      由于等离子体的初始温度很高,与周围空气和未烧蚀区域炸药有非常大的温差,计算中可以把高温等离子体辐射视为发射率接近1的灰体辐射。另外,由于空气和周围未烧蚀固体炸药对辐射能量吸收系数与辐射波长有关[10, 13-14],为了简化计算,将空气和剩余未烧蚀固体炸药视为灰体,忽略空气和固体炸药对不同波长辐射能量吸收的差异,认为空气和固体炸药对高温等离子体不同波段辐射能量的吸收系数为常数。

    • 炸药在受热过程中,会发生自热分解反应,放出热量,其热分解反应速率与温度密切相关,一般情况下,反应速率会随温度的上升呈指数增加。当炸药在高温高压等离子体和自热分解反应的共同作用下,温度会不断升高,如果炸药局部温度到达一定数值后,炸药的反应速率会迅速增加,导致炸药发生点火。因此,在计算过程中,不仅需要考虑高温高压等离子体对炸药的热作用,同时也要考虑炸药自身热分解反应放热对其温度的影响。本文采用多步热分解反应模型来描述TNT的热分解反应[15]

      TNT炸药的多步热分解反应可分为三个阶段,即

      $$A\xrightarrow{{{\;\;\;\;k_1\;\;\;\;}}}B,\;\;{\rm{ }}{k_1} = {Z_1}\exp ( - {E_1}/RT){\rho _A}$$ (8)
      $$A + B\xrightarrow{{{\;\;\;\;k_2\;\;\;\;}}}C,\;\;{\rm{ }}{k_2} = {Z_2}\exp ( - {E_2}/RT){\rho _A}{\rho _B}$$ (9)
      $$B + B\xrightarrow{{{\;\;\;\;k_3\;\;\;\;}}}C,\;\;{\rm{ }}{k_3} = {Z_3}\exp ( - {E_3}/RT)\rho _B^2$$ (10)

      式中:A为TNT炸药;B为中间产物;C为最终产物;ki为分解速率;ρi为密度;Zi为指前因子;Ei为活化能。

      对于每一步分解反应,反应释放的热量可表示为

      $${S_1} = {\rho _A}{Q_1}{Z_1}\exp ( - {E_1}/RT)$$ (11)
      $${S_2} = {\rho _A}{\rho _B}{Q_2}{Z_2}\exp ( - {E_2}/RT)$$ (12)
      $${S_3} = \rho _B^2{Q_3}{Z_3}\exp ( - {E_3}/RT)$$ (13)

      式中:Q1Q2Q3为反应热。TNT在热分解的过程中,单位时间内生成的总热量为

      $${S_{{\rm{TNT}}}} = {S_1} + {S_2} + {S_3}$$ (14)

      TNT的多步热分解反应动力学参数如表2所示。

      表 2  TNT的多步热分解反应动力学参数

      Table 2.  Kinetic parameters of multi-step thermal decomposition reaction of TNT

      stepE/(kJ·mol−1Z/s−1Q/(kJ·kg−1
      1200.0006.0×1014−125.575
      2144.4121.957×10123 767.267
      3140.2262.391×10133 592.840
    • 以能量为200 μJ的飞秒激光烧蚀TNT炸药为例进行分析。图3是飞秒激光作用后空气域中压力分布图。由图可知,在100 ns时刻,流场最大压力值约为9.09×105 Pa,约为大气压的9倍。冲击波波阵面的形状近似为半圆形,冲击波波阵面将流场分为三个区域,由内向外分别为:最里层的低压区;中间的波阵面高压区,即压缩空气区;最外层的未受扰动的空气区。在等离子体向外膨胀的同时,冲击波向空气中传播,流场压力迅速下降。在500 ns时刻,最大值下降至约8.19×104 Pa;在1 μs时刻,流场压力已下降至3.59×104 Pa。

      图  3  空气域中压力分布图(200 μJ)

      Figure 3.  Pressure distribution in the air(200 μJ)

      图4是飞秒激光作用后空气域中等离子体相的分布图。由图可知,随着等离子体扩散,等离子体的体积不断变大,且等离子体的轴向膨胀速度大于径向膨胀速度。在1 μs时刻,在轴向方向,等离子体已经传播至距离烧蚀坑表面0.3 mm处,可见等离子体的扩散速度非常快。

      图  4  空气域中等离子体相分布图(200 μJ)

      Figure 4.  Plasma distribution in the air(200 μJ)

      图5是飞秒激光作用后空气域中温度分布图。由图可知,空气域中高温区域主要集中在等离子体区域中。在100 ns时刻,等离子体区域温度最高,最高温度为2.59×104 K。随着等离子体的膨胀和对周围物质传递能量,等离子体温度迅速下降。在500 ns和1 μs时刻,等离子体最高温度分别降至1.20×104 K和8.54×103 K。

      图  5  空气域中温度分布图 (200 μJ)

      Figure 5.  Temperature distribution in the air(200 μJ)

    • 图6是能量为200 μJ飞秒激光作用后TNT炸药固体中未烧蚀区域的温度分布图。从图中可以看到,在飞秒激光作用后的20 ns时刻,在靠近飞秒激光作用区域附近的未烧蚀炸药固体中产生了热效应,最高温度达到了552 K;在500 ns时,温度继续上升,达到了827 K。这表明,在飞秒激光作用TNT之后的500 ns内,炸药在高温等离子体和炸药自身热分解反应放热的共同作用下,炸药中积累的热量大于其传导损失的热量,这导致了炸药内温度不断升高。在500 ns后,随着等离子体膨胀和冷却,未烧蚀炸药中的热传导损失热量占主导地位,炸药内最高温度也随之下降,但热影响区域增大。在约1 μs时刻,未烧蚀炸药内最高温度下降至754 K。在1 ms时,最高温度已降至316 K,只比初始温度高16 K。由此可知,在飞秒激光作用后约500 ns内,尽管未烧蚀炸药固体中温度峰值已经高于炸药的点火温度,但由于热效应区域极小(热影响深度小于2 μm),且持续时间极短,因此未烧蚀炸药区域没有发生点火反应。

      图  6  TNT炸药固体未烧蚀区域的温度分布图(200 μJ)

      Figure 6.  Temperature distribution in the unablated zones of TNT(200 μJ)

      为了详细分析剩余未烧蚀TNT炸药固体中的温度分布规律,在TNT炸药内不同位置处设置了温度监测点。各监测点位置分布如图7所示。

      图  7  TNT中温度监测点的位置示意图

      Figure 7.  Schematic diagram of the temperature monitors in TNT

      图8是飞秒激光作用下,炸药中不同监测点温度随时间变化曲线图。由图8(a)可知,在轴向方向上,烧蚀坑表面是最容易产生热效应的位置,在500 ns时刻,在高温等离子体和炸药自身热分解反应放热的共同作用下,炸药烧蚀坑表面温度达到了最大值,约为675 K。在约500 ns之后,热传导作用占主导地位,热量开始向炸药内部传导,烧蚀坑表面温度迅速下降,炸药内部各监测点处温度缓慢上升。大约在2 μs时,轴向热影响深度达到了5 μm处。大约在500 μs时,炸药中5 μm深度处的温度达到了最大值,约为370 K,小于TNT的点火温度。在轴向深度10 μm处,受到的热影响较弱,温度只有小幅上升,而在轴向深度50 μm处,几乎没有受到热的影响。由图8(b)可知,在TNT固体表面径向方向上,距离烧蚀坑越近的位置,受到的热影响越大,也是最容易产生热效应的位置,沿径向方向越远位置处,受到的热影响也越小。在距离烧蚀坑200 μm位置处,几乎不受热影响。结合图8(a)(b)可知,在飞秒激光加工位置处会产生一定的热效应,但由于影响区域极小,在500 ns之后,热量迅速在未烧蚀区域内传播,使飞秒激光加工处附近的炸药温度迅速下降,没有发生点火反应。

      图  8  TNT固体中各监测点温度随时间变化图

      Figure 8.  Temperature changes over time at each temperature monitoring point in TNT

    • 图9是和图10是三种不同能量的飞秒激光作用下,TNT炸药中轴向和径向不同监测点温度随时间变化曲线图。由图9图10可知,在不同能量的飞秒激光作用下,炸药内的温度变化趋势基本一致,烧蚀坑表面处产生的热效应最明显,温度最高。随着激光能量的增加,炸药内烧蚀坑附近的峰值温度也随之增加。在三种不同能量的飞秒激光的作用下,被烧蚀区域周围炸药的峰值温度都高于TNT的点火温度,但由于热效应区域极小,且高温持续时间极短,热量迅速在未烧蚀炸药中传播,使得炸药内温度迅速下降,因此不会引发炸药的点火或燃烧。

      图  9  TNT固体中轴向不同监测点温度随时间变化曲线

      Figure 9.  Temperature changes over time at each axial temperature monitoring point in TNT

      图  10  TNT固体中径向不同监测点温度随时间变化曲线

      Figure 10.  Temperature changes over time at each radial temperature monitoring point in TNT

      由上述计算结果可知,在重频脉冲飞秒激光加工炸药过程中,为了保证飞秒激光加工炸药的安全性,应该尽量选择频率小(间隔时间长)、能量低的重频脉冲飞秒激光对炸药进行加工,以确保在后续激光入射时刻,加工区域周围的炸药温度在热传导作用下已经下降至安全温度范围,保证在重频脉冲持续激光加工过程中,炸药始终没有明显的热效应产生。

    • 本文建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药的二维轴对称流固耦合计算模型。模型考虑了等离子体在空气中膨胀、对周围物质的加热作用和炸药在受热条件下的自热反应放热。对飞秒激光烧蚀TNT过程进行了流体力学数值模拟,分析了飞秒激光作用下,空气中流场特征和炸药内部温度变化规律。计算结果表明:飞秒激光烧蚀炸药过程中产生的高温高压等离子体在扩散和辐射作用下,等离子体温度、压力迅速减小。在三种不同能量的飞秒激光作用下,炸药中靠近加工位置处的未烧蚀区域内发生了热效应,且峰值温度高于其点火温度,但由于热效应区域极小,且高温持续时间极短,未烧蚀炸药中温度迅速下降,炸药中并没有发生点火反应。

参考文献 (15)

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