一种激光等离子体多场耦合求解方法

本发明涉及激光冲击强化领域，尤其是涉及一种激光等离子体多场耦合求解方法。

背景技术：

1、当高能激光脉冲与刚性目标相互作用是，材料被辐照表面会发生气化和电离，形成等离子体。等离子体以超音速膨胀，并产生向周围环境和固体靶材中传播的冲击波。激光脉冲的前沿冲击目标时，目标材料被击穿并激发出等离子体。这种初始等离子体继续从剩余的激光脉冲中吸收能量，在激光束通量内膨胀并发出肉眼可见的荧辉。与空气中的烧蚀相比，水下激光烧蚀所产生的等离子体受到液体层的限制，进一步增加了冲击压力。该过程被广泛应用于激光微加工、激光清洗和激光冲击强化等领域。

2、等离子体在激光脉冲作用下的膨胀对初始冲击压力和诱导冲击波的动力学特征有着重要的影响。不少研究人员针对空气和水下的激光脉冲烧蚀扥离子体膨胀过程展开了大量的研究，大多数激光烧蚀相关的研究工作集中于研究优化冲击波的动力学过程和探索优化冲击压力的条件。然而，对于光致电离的早期过程和等离子体本身的多场复杂特性尚未得到细致的研究。

3、因此，有必要提供一种激光等离子体多场耦合求解方法，来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种激光等离子体多场耦合求解方法，解释了激光等离子体的早期演化过程，为优化激光冲击加工工艺提供新的思路和依据。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种激光等离子体多场耦合求解方法，包括以下步骤：

3、s1：建立光致电离、自感磁场、和电离复合的高保真理论模型；

4、s2：构建模拟激光诱导等离子体的控制方程、初始条件和边界条件；

5、s3：采用数值方法，将控制方程所描述的物理信息离散至空间和时间网格上，采用数值微分近似和数值积分方法对激光诱导等离子体过程进行空间和时间迭代求解；

6、s4：针对控制方程的数值离散格式，采用基于visual studio的fortran开发平台编写求解代码，完成对激光诱导高压等离子体物理信息的求解，实现对等离子体演化过程的模拟和分析。

7、优选的，在步骤s1中，考虑激光冲击目标靶材的真实物理过程，具体包括：

8、s11：目标升温熔化、气化，激发态电子超过电离电位形成等离子体；

9、s12：等离子体吸收继续吸收激光能量，等离子体膨胀扩散最终熄灭。

10、优选的，在步骤s1中，光致电离使用saha方程进行描述，saha方程中，处于热平衡的气体的电离量为：

11、

12、式中，ni和nn分别是已电离原子和中性原子的密度，t是气体温度，kb是boltzmann常量，ui是气体的电离能；

13、自感磁场用maxwell方程组来进行描述：

14、

15、其中，公式(1)表示电场的gauss定律，式中e表示电场强度，ρ表示电荷密度；公式(2)表示磁场的gauss定律，b表示磁场强度；公式(3)表示ampere定律，式中c表示光速；公式(4)表示faraday定律，电流j满足电流和守恒方程

16、电流j满足电流和守恒方程

17、当粒子和电子在相对速度较低时发生碰撞复合形成中性原子，由复合引起的等离子体损失在连续性方程中用负源项表示，负源项正比于neni＝n2，扩散项不存在时，连续性方程变为：

18、

19、式中，n为粒子数密度，比例系数α为复合系数。

20、优选的，在步骤s2中，激光诱导等离子体的分布函数fs的演化由boltzmann-vlasov方程进行描述：

21、

22、式中，表示碰撞算子，取值为0；带电粒子的加速度由lorentz力给出：

23、

24、式中，e和b表示电场和磁场，qs是电荷，ms是物质s的电荷和粒子质量，v为速度，c为光速，γ为lorentez因子；

25、等离子体的宏观量由分布函数的各阶矩表示，分布函数fs的零阶矩将物质s的电荷密度定义为：

26、ρs＝qs∫fsdu

27、总电荷密度为r＝∑∫sρs,电流矢量由分布函数的一阶矩给出：

28、

29、总电流为j＝∑∫sjs；

30、边界条件由计算域的热力学状态给出：

31、

32、式中，下标s和l分别表示计算域中的流体和固体，s表示流固边界界面，l为蒸发潜热，ks和kl分别为固体和液体的导热系数，在流固界面上，tm表示熔化温度；

33、tl(s)＝ts(s)＝tm

34、初始条件表示为：

35、ts|t＝0＝troom

36、其他物理边界选择dirichlet、neumann边界或两者的混合形式。

37、优选的，在步骤s3中，离散将物理量离散都按晶格上，离散点的位置为x(i,j,k)＝x(i,j,k)＝(iδx,jδy,kδz)，其中i,j,k为网格索引，δx,δy,δz为每个cartesian维度的网格距离，在时间上的离散表示为：

38、tn＝t(n)＝nδt

39、courant数定义为表示在网格上传播的信号的最大值速度，对于显式时间积分方案取

40、数值方法为粒子-网格pic方法，包括初始设置，主循环和最终结果输出；计算发生在主循环中，主循环包括计算电荷密度、计算电势、计算电场、移动粒子和生产粒子；电荷密度是空间中随空间变化的标量，表示每单位体积的电荷数，中心的粒子为宏粒子，宏粒子所带总电荷数为qs，通过权重因子分配到每个节点：

41、

42、调用椭圆方程求解器来计算电势，poisson方程离散为：

43、

44、式中，φi,j表示(i,j)点处的电势，φ0为零电势，n0为零时刻粒子数密度。

45、通过微分电势来计算电场：

46、

47、使用leap-frog算法积分粒子运动，数值格式表示为：

48、

49、xk+1＝xk+vk+0.5δt

50、生成新粒子采用monte-carlo方法来生成符合maxwell分布的粒子；

51、数值方法的初始化，t＝0时刻，给定位置x处的物质s粒子数密度ns，平均速度vs和温度ts；

52、粒子加载过程包括在网格单元内生成ns个粒子，粒子的位置xs随机选取或等间距排列，确保粒子在单元内部均匀分布；粒子的动量ps随机选定，粒子分布遵循平均速度vs和温度ts的maxwell-jüttner分布。

53、优选的，在步骤s4中，激光诱导高压等离子体多物理场求解代码包含前处理模块、激光能量沉积模块、maxwell求解器模块、pic循环模块和后处理模块。

54、优选的，前处理模块包括读取求解问题的物理条件、数学模型、几何模型、初始参数和离散方式，完成对求解问题的预处理；

55、激光能量沉积模块采用双温度模型将激光能量转化为热力学的形式注入目标靶材表面；

56、maxwell求解模块中，采用交错网格方法实现对maxwell方程组的求解，完成对等离子体自感电磁场的求解；

57、pic循环模块中，采用pic算法对boltzmann-vlasov方程进行离散求解，实现对等离子体演化过程的模拟与分析；

58、后处理模块中，格式化输出等离子体的粒子数密度、电场、磁场分布、温度和密度及压力信息，采用通用后处理软件实现可视化分析。

59、因此，本发明采用上述一种激光等离子体多场耦合求解方法，基于实现对强激光诱导等离子体过程的模拟和分析，为激光冲击强化和等离子体加工等提供了优化控制方法，推动激光冲击加工工艺在航空工业及能源工业中的应用。

60、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。