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激光等离子体对固体界面力学作用机理和数值模拟研究

杨雁南  
【摘要】: 结合激光推进技术中的关键问题,本文主要对不同条件下脉冲激光诱发的物质蒸气或等离子体的形成及膨胀过程进行了物理建模和数值模拟,并由此得到了激光对固体靶的冲量及其耦合效率,所得结果与相关实验测量结果一致。 根据激光-固体靶冲量作用过程的特点,针对悬摆和光电传感器测量激光-固体靶冲量作用的实验装置,基于流体力学原理建立了靶的阻尼摆动方程,求出靶的初始角速度,进而得到激光对靶的冲量。根据激光与物质相互作用机理,对激光击穿空气形成等离子体的过程进行建模;进而采用高精度的差分数值计算方法,对等离子体的演化过程进行了数值模拟,得到了空气等离子体在空间的演化过程,通过与文献报道的实验结果比较,验证了数值模拟过程及结果的正确性。在此基础上,采用“虚拟流动”方法处理曲面反射边界,数值模拟了抛物型反射面焦点处空气等离子体的膨胀以及在面上的反射过程,得到了等离子体对抛物面的冲力作用规律。通过对真空环境下激光烧蚀靶物质形成蒸气和等离子体的过程进行分析和建模,数值模拟了准真空环境下蒸气和等离子体的膨胀过程,并由此得到了激光对固体铝靶的冲量,发现了烧蚀作用下激光对靶产生的冲量耦合随入射激光强度的变化规律。通过对空气环境下激光与空气和靶作用过程的分析建模,数值模拟了空气环境下激光对固体铝靶的冲量形成过程。最后,对空气环境和真空环境下激光对靶的冲量传递效率进行了分析、比较,指出了提高冲量耦合效率的努力方向。 本文的研究方法和结果不仅可揭示激光与固体表面力学作用的机理和细节,同时也为相应条件下激光-固体靶冲量耦合的定量计算和激光推进性能的优化研究提供参考。


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