激光热烧蚀破坏效应的可计算建模和数值方法研究

Numerical study on hydrodynamics with phase change are discussed under the given temperature and pressure. Based on the problem of thermal damage effect of laser ablation, we need explore the novel approaches for solving the following problems, such as modeling of laser-material interaction, resolving energy equations with high resolution on distorted mesh, regridding of unstructured mesh and construction of remapping interpolation algorithms. Then we can apply the algorithms to the two-dimensional code for simulation of laser ablation process. We will do our new effort for the study of laser-material interactions and boost our research ability in hydrodynamics with phase transition and its numerical methods.

本项目将以激光热烧蚀破坏效应问题为研究背景，建立能够刻画激光热烧蚀物理过程的、适于计算的数学模型，开展具有一定温度和压力条件下含相变问题的流体力学数值方法研究。包括建立激光与靶材料相互作用的数学物理模型、大变形网格上能量方程（组）的高性能计算、非规则大变形网格重分技术及非规则网格上物理力学量的重映方法等方面的研究工作，探索新的求解途径；并将研究成果应用于基于激光与靶材料相互作用引起的热烧蚀问题的二维数值模拟程序的研制，提升激光热烧蚀破坏效应物理问题的数值模拟和分析能力，推动和发展含相变问题的流体力学数值方法研究。

激光与物质的相互作用，引起靶物质的升温、膨胀、熔化-气化相变，激光与靶蒸汽相互作用形成等离子体和激光维持爆震波的过程，在军民领域具有重要的应用价值。基于这一背景，本项目重点研究了激光与物质相互作用的数学物理建模、含相变流体力学数值方法，以及在激光热烧蚀破坏效应问题中的应用等三个方面。在数学物理建模方面，基于连续介质力学假设，推导并建立了刻画激光与物质相互作用物理机理的可计算模型，包括方程组封闭条件、物质相态的临界条件和描述方程等，结合数值研究获得了金属铝靶从固态-液态-气态-等离子体初态的演化过程和外加激光的影响规律。该计算模型在脉冲激光条件下，可以实现金属靶物质激光热烧蚀的连续计算，并且涵盖了已有的传热模型，数值结果较好的刻画了激光热烧蚀这一过程。在含相变流体力学数值方法研究中，推导建立了各向异性热传导的单元中心型有限体积格式，并从理论上证明了格式具有二阶精度，数值实验表明所构造格式在大变形扭曲网格上，对于连续/间断的热传导系数具有很好的健壮性；自主研制了基于任意拉氏-欧拉（ALE）方法的二维激光热烧蚀数值计算程序；推导建立了用于描述激光热烧蚀过程的非规则大变形网格重分计算公式，建立了任意四边形网格上物理量重映计算格式，并在程序中实现和验证。将其应用于激光热烧蚀破坏效应问题，数值研究给出了金属铝靶物质在外加激光的辐照下从固态-液态-气态的演化形成过程，靶材料中温升随时间的变化，以及外加激光对物质表面压力和蚀坑形成的影响规律。本项目为深入认识激光与物质相互作用的物理机理和物质材料表面蚀坑形成提供了理论基础和数值模拟手段，为开展含相变的多介质流体力学数值方法研究提供了创新性研究，对于实际工程问题研究具有重要借鉴意义。