[讨论] 关于激光加热的热源加载形式

iomega

看了版上一些讨论关于如何加载激光热源的帖子，觉得好多人做计算时， 都只求获得加载的形式，而不求理解其物理意义。其实如果从物理意义出发，得到加载热源的形式是很容易的。

例如在平板上加载一个空间上呈高斯分布的激光热源，其功率随时间而变化，
则需要以下参数：
1。 激光功率P[t]。  单位： W     
2。 激光半径r,  单位： m     
3。表面反射率R。单位： 无   
4。optical absorption coefficient a 单位： m^-1, 或 optical penetration depth：a^-1  单位： m   

激光热源可以用表面热流（W/m^2) 或体热源 (W/m^3)来表示，关键取决与平板厚度d和optical penetration depth a^-1 的比较。

1。表面热流形式 (d>>a^-1)

Q(x,y,t)= P[t]*(1-R)/(Pi*r^2)*exp(-(x^2+y^2)/r^2)

其中P[t]*(1-R)是真正被平板吸收热激光功率。 exp(-(x^2+y^2)/r^2)代表空间高斯分布， 有些文献中会出现exp(-2*(x^2+y^2)/r^2)，这是由于高斯半径定义为激光光强1/e和1/e^2的区别。

2。体热源形式 (d~a^-1)

Q(x,y,z,t)= P[t]*(1-R)*a/(Pi*r^2)*exp(-(x^2+y^2)/r^2)*exp(-a*z)

可以看出和表面热流形式相比，多出一项exp(-a*z)代表光在物体中的吸收。
另外前面也要多乘个系数a，所以单位是W/m^3.

以上的公式其实可以从求解光在物体中传播的Maxwell方程得到，因为光也是电磁波。

当 (d>>a^-1)时，表面热流形式和体热源形式对于解传热方程是一样的。
对于金属，a^-1一般在10~50nm之间。

对于其他空间分布的激光光源，只用替换后面的exp形式。

hncscp306

jianchaowei wrote:
激光和一般光线有什么联系与区别？？

如果是汽车灯泡或投影机灯泡呢？怎么模拟？

其“激光半径” 如何确定？

激光与一般光线的区别在于它本身所具备的高亮度,方向性好等特性,联系就是激光本身也是光的一种,满足波粒二象性.具体的介绍,可以去找一本《激光原理》来看.上面讲的很明白,也很清楚.

斑竹发这个帖子是为了说明激光的高斯分布吧.大家用ansys做过热分析的都知道,在ansys里面进行热分析的话,要先定义热源,然后定义加热区域.定义热源,就要知道激光的高斯分布具体是怎么样子的,斑竹的帖子里面基本上已经讲的很明白了.至于上面不少人问到的选择加热区域,这个用GUI操作很容易实现的.在命令流方式中,也只是几条命令就能够实现的,多看看帮助文档和相关参考书就知道了.
要实现移动热源的热分析的话,就可以在上面说的基础上进行推广.这个时候使用GUI方式比较麻烦而且有些时候还不太现实.所以最好是用APDL.热源的静态加载掌握以后,就可以用编制循环的方式实现热源的移动加载.主要步骤是:
定义热源-->选择加热区域-->加载-->改变循环控制变量-->再次选择加热区域-->........

呵呵,不知不觉说了这么多.我的硕士论文里做的工作之一就是ansys仿真激光热源的移动加载,后来还用matlab编了个利用有限差分法进行模拟计算温度场的小程序.也算有点心得了.当时我在这里发了好多帖子,得到了斑竹们和诸多高手一一指点.在这里只想给那些刚开始接触这方面东西的新手们提个建议:先不要着急发问,善用论坛的搜索功能,发现以前的老帖子,说不定还不用自己发帖呢,问题就已经解决了.

zyp

有了热源，如何选择加热源区域呢？例如在一圆柱表面加圆形，或者在一圆柱表面加环形，能否举个例子加以说明，谢谢！
例如１／圆柱高为２０mm,直径为１００mm，所加区域为直径为６０mm的圆
　　２／圆柱高为２０mm,直径为１００mm，所加区域为直径为４０mm到６０mm的圆环，问题困扰我很久了，请大虾们指教一下吧！

后起之秀

我认为仅仅关注加载形式还不够,应考虑实际输入热量的大小与实际情况是否相符,我一直对此存在疑问,认为有可能名以上按高斯分布或其他形式加载,而实际输入的形式却不是如此,请大家就此展开讨论

jianchaowei

激光和一般光线有什么联系与区别？？

如果是汽车灯泡或投影机灯泡呢？怎么模拟？

其“激光半径” 如何确定？

tramper

激光和一般光源的在你所说的这个层面上的区别是其分布为高斯分布，而汽车车灯和投影仪的灯泡其光强分布应该是你用一些光学软件模拟出来才知道的，和这个激光半径没什么关系。

ixxing

这个写的不清不楚的，能不能说一下思路啊

tramper

1。表面热流形式 (d>>a^-1)

Q(x,y,t)= P[t]*(1-R)/(Pi*r^2)*exp(-(x^2+y^2)/r^2)

其中P[t]*(1-R)是真正被平板吸收热激光功率。 exp(-(x^2+y^2)/r^2)代表空间高斯分布， 有些文献中会出现exp(-2*(x^2+y^2)/r^2)，这是由于高斯半径定义为激光光强1/e和1/e^2的区别。

关于1/e和1/e^2的区别是高斯半径的定义为振幅的1/e，光强的1/e^2
exp(-(x^2+y^2)/r^2)代表的是一个高斯分布，exp(-2*(x^2+y^2)/r^2)代表的是激光基横模的光强分布（参见激光原理浙江大学出版社115页），如果你的热源是基横模就要用后面的公式了。并且还有超高斯分布比如exp(-(x^4+y^4)/r^2)。

tramper

这个半径应该是一个已知量，如果你买的设备没有告诉你可以用刀口来测量测量方法也比较简单但是已经设计到了比较专业的知识了，你可以检索一些文献来看，大概的思想都是测量出功率的分布，然后找得功率的1/(e^2).

tramper

1。表面热流形式 (d>>a^-1)

Q(x,y,t)= P[t]*(1-R)/(Pi*r^2)*exp(-(x^2+y^2)/r^2)
为什么要除以(Pi*r^2)啊 版主能给解释一下马？

iomega

>1。表面热流形式 (d>>a^-1)

>Q(x,y,t)= P[t]*(1-R)/(Pi*r^2)*exp(-(x^2+y^2)/r^2)
>为什么要除以(Pi*r^2)啊 版主能给解释一下马？

from two viewpoints:
(1) divided by (Pi*r^2) yields the heat flux function for the area of laser focusing.

(2) The unit of Q(x,y,t) is W/m^2  ->   P/(Pi*r^2).

tramper

明白版主的意思了,是我搞错了把exp(-(x^2+y^2)/r^2)里面的r^2给忘了,版主能给我关于这些公式的文献吗!先谢谢了!!!!trampingnow@hotmail.com