已知作用激光功率为P=260w,半径为w=1.4cm的基模高斯激光,已知岩石样品的密度为ρ=2g/cm3,比热容为C=0.75J/(g.K),热传导系数为K=4.4W/(m.K),假设岩石对光吸收率为η=0.6,初始温度T0=300K.利用matlab求出一束沿x轴正向以扫描速度v=0.013m/s的激光作用下t=3s后材料温度场
时间: 2023-06-19 18:09:30 浏览: 208
基模稳功率固体激光器的实验研究
这道题可以利用热传导方程来求解,热传导方程为:
∂T/∂t = (K/ρC) ∇²T + Q/ρC
其中,T为温度场,t为时间,K为热传导系数,ρ为密度,C为比热容,Q为吸收光能转化为热能的速率。
由于光是沿x轴正向扫描的,因此我们可以将温度场分解为一个沿x轴正向的温度分量和一个与x无关的温度分量,即:
T(x,y,z,t) = T0(y,z) + Tx(x,y,z,t)
其中,T0为初始温度场,Tx为沿x轴正向的温度场。
将温度场分解后,热传导方程变为:
∂Tx/∂t = (K/ρC) (∂²Tx/∂x² + ∂²Tx/∂y² + ∂²Tx/∂z²) + Q/ρC
根据高斯光束的功率分布公式,可以求得光束在横向(y、z方向)的光强分布为:
I(y,z) = 2P/(πw²) exp(-2(y²+z²)/w²)
其中,P为激光功率,w为光束半径。
将光强分布代入吸收光能转化为热能的速率公式,可以求得热源项Q为:
Q(x,y,z,t) = ηI(y,z)/V
其中,η为吸收率,V为单位体积岩石的质量,即密度ρ。
综上所述,我们可以列出热传导方程的数值解算法如下:
1. 网格化空间,将x轴方向离散化为Nx个网格,y、z方向离散化为Ny、Nz个网格。
2. 初始化温度场Tx为0,初始温度场T0为300K。
3. 对于每个时间步长Δt,依次求解每个网格点的温度Tx(x,y,z,t+Δt):
a. 计算该点处的热源项Q(x,y,z,t)。
b. 利用差分法,将热传导方程离散化为:
Tx(i,j,k,t+Δt) = Tx(i,j,k,t) + (KΔt/ρC) * (Tx(i+1,j,k,t) - 2Tx(i,j,k,t) + Tx(i-1,j,k,t) + Tx(i,j+1,k,t) - 2Tx(i,j,k,t) + Tx(i,j-1,k,t) + Tx(i,j,k+1,t) - 2Tx(i,j,k,t) + Tx(i,j,k-1,t)) + Q(i,j,k,t) * Δt/ρC
其中,i、j、k分别表示x、y、z方向的网格编号。
4. 重复步骤3,直到t=3s时停止迭代。
下面是Matlab代码实现:
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