具有非傅里叶效应的微纳米颗粒固液相变传热研究

课题从选择性激光烧结中抽象出微纳米颗粒固液相变这一微尺度传热问题，并对其中的各种传热现象和换热规律进行研究。在超短脉冲激光烧结过程中经典的傅里叶导热定律不再适用，本项目将采用半经验两步法加热模型来描述激光-颗粒的相互作用，通过建立模拟金属颗粒激光烧结过程中快速的熔化和凝固相变传热模型，发展进行数值模拟的高精度的有限容积法和分子动力学方法，对激光烧结过程微纳米金属颗粒表面发生的传热过程进行模拟，以查明激光烧结过程金属颗粒表面发生熔化和凝固相变传热过程的物理机理和传热规律，并进行相关的实验研究和验证。课题的研究为采用激光烧结方法加工某些功能元件建立理论基础和提供支持。

课题主要研究微纳米金属颗粒在超短脉冲激光作用下的微尺度相变传热问题，其工程背景是金属材料进行选择性激光烧结（SLS）中的热物理问题。本项目主要针对超短脉冲激光烧结过程中的以下微尺度传热现象及其机理进行了研究并获得相应成果：超高速导热，非傅立叶相变（超高速相变），散射效应（微尺度辐射）以及非连续性介质模型（分子动力学）。具体工作如下：.1）在超短脉冲激光烧结金属颗粒过程中，对于能量传递的分步进行和电子与晶格的不平衡过程，本课题采用了两种两步加热模型来描述激光-颗粒的相互作用，包括基于抛物线型的（PTS）和基于双曲线型的（DHTS），并对两种模型进行了对比研究。.2）对于对称的导热问题，为了简化计算，通常会只取一半的区域进行研究。但这种处理方法却不合适于超短脉冲激光烧结过程，因为这样的简化会导致一半的波信息的消失，从而无法观察到热波的叠加现象。课题模拟了两束全对称飞秒激光照射金箔的传热过程。结果发现两束热波发生了叠加，此时平板中间的温度高于两边的温度。.3）在超短脉冲激光烧结过程中，材料在激光的照射下会发生超高速的熔化、再凝固过程。项目利用界面追踪技术模拟了不同脉冲宽度下的相变问题。结果表明对于皮秒激光烧结过程非傅里叶效应可以忽略，而对于飞秒激光尤其是当脉冲宽度小于200 fs以后，非傅立叶相变的超高速特性对于脉冲激光加热问题的影响非常显著。.4）在激光烧结问题中，当颗粒粒径与光子波长相当(~通常指纳米/微米尺度)时，就会发生不同于常规尺度下的辐射现象。课题引入光强分布函数的概念；将Mie散射理论应用到激光烧结中研究了激光烧结过程中的散射效应。研究结果表明激光照射纳米颗粒时，光强分布会出现三个峰值。当颗粒直径远小于波长时， Mie散射可以近似成为Rayleigh散射，当颗粒直径与波长相当时，散射光强接近于Fraunhofer衍射光强。.5）发展了分子动力学模型，并对纳米颗粒的激光照射过程进行了模拟研究。结果表明当熔化发生的时候，在固液之间是一个纳米级别的固液混合的过度区域，而不是一条明显的固液界面，并且该混合区域会以一定的速度移动。当照射的激光能量增强时，混合区域移动的速度和深度都将增加。.课题的研究为采用激光烧结方法加工某些功能元件建立理论基础和提供支持。