高超声速气流与高能激光联合作用下金属靶体毁伤机理和多场耦合效应研究
批准号:
11902322
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
27.0 万元
负责人:
王睿星
依托单位:
学科分类:
极端条件下材料与结构力学
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
中文摘要
高能激光武器被认为是未来战场拦截高超声速导弹的最有效手段之一。然而,高超声速靶体的目标特性显著区别于传统的靶目标,高能激光与之相互作用时将引发复杂的多场耦合效应,由此诱导的破坏机制尚不清楚。我们初步的实验结果发现,高超声速气流对高温合金靶体的激光毁伤产生了不容忽视的影响,起到了明显的加速作用。为揭示其中的多场耦合破坏机理,本项目拟开展高超声速来流条件下损伤凹腔流动特性、高超声速气流环境中激光辐照金属靶体多场耦合毁伤效应、高超声速气流与高能激光束流联合破坏效应实验方法等研究,以期在激光诱导损伤形貌对高超声速气流的作用机制与影响规律、高超来流和高能激光共同作用下金属靶体流-热-固多场耦合破坏机理等关键科学问题上实现突破。本项目研究成果为反制高超声速飞行器的激光武器工程化应用提供必要的理论储备与技术支持。
英文摘要
High energy laser weapon is regarded as one of the most effective means to intercept the hypersonic missile in future battlefield. However, it should be noted that the characteristics of hypersonic target are significantly different from that of the conventional target. When the high energy laser interacts with the hypersonic target, the complex multi-physics coupling effects will be triggered and the induced failure mechanisms have not been clarified. We conducted a preliminary experiment, and the results showed that the hypersonic flow produced unneglected influence on the laser damage of the high temperature alloy target and greatly accelerated the damage process. In order to reveal the failure mechanism, the project focuses on three main issues, namely, the hypersonic flow characteristics over the cavity damage caused by the high energy laser, the multi-physics coupling damage effects when the laser irradiates the metal target in the hypersonic flow, the damage experiment method under the joint effects of the hypersonic flow and high energy laser beam, etc, which aims at making breakthroughs on the following two key scientific issues, namely, the influence rule of the laser irradiation induced damage morphology on the hypersonic flow, the fluid-thermal-solid multi-physics coupling failure mechanism of the metal target under the combined action of the hypersonic flow and high energy laser. The achievements of this project can provide theoretical and technical support for the engineering application of the high energy laser weapons applied in the hypersonic target interception.
高能激光武器被认为是未来战场拦截高超声速导弹的最有效手段之一。然而,高超声速靶体的目标特性显著区别于传统的靶目标,高能激光与之相互作用时将引发复杂的多场耦合效应,由此诱导的破坏机制尚不清楚。我们的实验结果发现,高超声速气流对高温合金靶体的激光毁伤产生了不容忽视的影响,起到了明显的加速作用。为揭示其中的多场耦合破坏机理,本项目首先开展了激光诱导的局部损伤对高超声速流场影响机制的试验与仿真研究,结果表明圆柱凹腔损伤对高超声速流场的干扰效应明显,而且由于其特殊的几何构型,使得其内部流场结构显著区别于传统的矩形凹腔,斜向涡在封闭凹腔两侧展向造成了对称局部加热区。然后,建立了考虑烧蚀效应的流-热-固多场耦合数值分析方法,并完成了高速来流条件下的高能激光对金属薄板的流-热-固多场耦合分析,定量化地给出了不同气动效应(气动力、气动换热、气体浓度)对不同烧蚀机制(氧化、熔化、剥蚀)的定量贡献,明确了相应的烧蚀机理。结果表明,激光加速破坏的原因包括两方面,一为高超气流环境下,静压降低导致熔化速率增大,以及动压增大带来的机械剥蚀效应;二为气动热带来的结构高初始温度使得结构温度增大、材料强度降低,进一步加速了熔化和剥蚀速率。最后,搭建了高能激光束流与高超风洞联合实验平台,建立了非接触式多物理场测量系统,针对镍基高温合金(GH625)、钛合金(TC4)及铝合金等典型金属材料开展了激光毁伤实验测量与分析。结果表明,来流对激光辐照区域热效应主要通过对流换热进行,力效应包括对软化薄板的击穿效应和气流与液态熔融金属机械剥蚀效应。本项目突破了激光诱导损伤形貌对高超声速气流的作用机制与影响规律、高超来流和高能激光共同作用下金属靶体流-热-固多场耦合破坏机理等关键科学问题上实现突破,为反制高超声速飞行器的激光武器工程化应用提供必要的理论储备与技术支持。
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Comparison of Strategies for Coupled Flow‑Thermal Analysis of Thermal Protection System at Hypersonic Flight Condition
耦合流策略比较——高超声速飞行工况热防护系统热分析
DOI:
10.1007/s42405-019-00217-x
发表时间:
2019
期刊:
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
影响因子:
1.7
作者:
[Ruixing Wang, Zhaowei Wang, Hongwei Zheng, Hongwei Song]
通讯作者:
Hongwei Song
Performance improvement of integrated thermal protection system using shaped-stabilized composite phase change material
使用形状稳定复合相变材料改进集成热防护系统的性能
DOI:
10.1016/j.applthermaleng.2019.114529
发表时间:
2020-01
期刊:
Applied Thermal Engineering
影响因子:
6.4
作者:
[Chenyu Cao, Ruixing Wang, Xiaodong Xing, Wenfeng Liu, Hongwei Song, Chenguang Huang]
通讯作者:
Chenguang Huang
Three-dimensional flow structures and heat transfer characteristics of compressible flow over a cylindrical cavity
圆柱腔内可压缩流动的三维流动结构及传热特性
DOI:
10.1016/j.ast.2022.107408
发表时间:
2022-02
期刊:
Aerospace Science and Technology
影响因子:
5.6
作者:
[Jiangtao Wang, Te Ma, Zhe Wang, Ruixing Wang, Hongwei Song, Wu Yuan, Hongwei Zheng]
通讯作者:
Hongwei Zheng
Decoupling mechanisms of “avalanche” phenomenon for laser ablation of C/SiC composites in hypersonic airflow environment
高超声速气流环境下C/SiC复合材料激光烧蚀“雪崩”现象的解耦机制
DOI:
10.1016/j.ijthermalsci.2021.107414
发表时间:
2022-03
期刊:
International Journal of Thermal Sciences
影响因子:
4.5
作者:
[Zhe Wang, Ruixing Wang, Hongwei Song, Te Ma, Jiangtao Wang, Wu Yuan, Chenguang Huang]
通讯作者:
Chenguang Huang
DOI:
10.2139/ssrn.4118449
发表时间:
2023-05
期刊:
SSRN Electronic Journal
影响因子:
--
作者:
[Ruixing Wang;Zhe Wang;T. Ma;Wu Yuan;Yue Cui;H. Song]
通讯作者:
Ruixing Wang;Zhe Wang;T. Ma;Wu Yuan;Yue Cui;H. Song
共 7 条
高超声速气流下高能激光对C/SiC复合材料的多尺度与多场耦合烧蚀机理
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批准号:12472143
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项目类别:面上项目
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资助金额:52.40万元
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批准年份:2024
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负责人:王睿星
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依托单位:
国内基金
海外基金