Особенности распространения тепловых возмущений в слоистых телах при импульсном подводе энергии к поверхности Текст научной статьи по специальности «Физика»

Учет зависимости оптических свойств от частоты излучения при фазовом переходе 1 рода полупрозрачных материалов

sM 1,0-

Рис.5. Движение фронта фазового перехода в процессе затвердевания.

Сплошные линии - серое приближение, штрих-пунктирные -спектр А, пунктирные - спектр В.

0,0-

-1

о

Литература:

1. Siegel R. Transient thermal effects of radiant energy in translucent materials // J. of Heat Trans., 1998, Vol.120, No. 1.

2. Саввинова H.A. Фазовые переходы в плоском слое с учетом излучения // Молекулярная физика неравновесных систем. - Новосибирск, 1984.

3. Бурка А.Л., Рубцов H.A., Саввинова H.A. Нестационарный радиационно-кондуктивный теплообмен в полупрозрачной среде с фазовым переходом // ЖПМТФ, 1987, №1.

4. Саввинова H.A. Влияние отражения излучения на формирование температурного поля при фазовом переходе полупрозрачного материала // Актуальные вопросы теплофизики: энергетика и экология. - Новосибирск, 1991.

5. Рубцов H.A., Саввинова H.A., Тимофеев A.M. Влияние отражения и изотропного рассеяния на плавление и затвердевание полупрозрачного материала // Теплофизика и аэромеханика, 2001, Т. 8, №3.

УДК 536.4:620.1

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В СЛОИСТЫХ ТЕЛАХ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПОДВОДЕ ЭНЕРГИИ

К ПОВЕРХНОСТИ

О.Ю. Троицкий Томский политехнический университет, г. Томск Е - mail: tor@ped.tpu.ru

В ряде технологических процессов, связанных с лазерным и ионизирующим излучением, а также в результате эксплуатации могут возникать как поверхностные, так и внутренние изменения структуры материалов, включая дефекты типа «нарушение

О.Ю. Троицкий

сплошности» (пустоты, расслоение и т.д.), ведущие к изменению их свойств. В любом таком случае изменение может быть интерпретировано как слой материала со свойствами (в том числе и теплофизическими - ТФС), отличающимися от свойств основного материала.

Для дистанционной бесконтактной оценки происшедших изменений или для послойного определения ТФС фронтальным методом вспышки (ФМФ) предлагается ввести в рассмотрение безразмерный критерий термической однородности

То=Т/(РТ'), (1)

где Т и Т' - изменение во времени (?) температуры и ее производной по времени на поверхности исследуемого материала после импульсного теплового воздействия на поверхность.

Чтобы проанализировать изменение во времени этого критерия используем следующие выражения:

1. Для гомогенного образца полубесконечной толщины

Рассмотрим тепловой импульс в виде ¿-функции Дирака, а также прямоугольный импульс длительности г.

Тогда для теплового импульса в виде ¿-функции Дирака в случае полупространства

т ^

—2)

а для прямоугольного импульса

20

тек 72

у

^ * 2 , если 0</< т, (3)

и

~ 20 Г V , Л/1

Т =-— -(/-ту2 , если /> т. (4)

тек

В этих уравнениях е означает коэффициент теплоусвоения.

2. Для двухслойног о образца

В этом случае изменение температуры на поверхности образца более сложное, чем в первом случае, и может быть получено методом преобразования Лапласа.

Если второй слой имеет полубесконечную толщину, то в случае теплового импульса в виде ¿-функции Дирака можно получить

е1 (к1)

1 + ДА ехр (-к2 —)

к=1 а\1

(5)

л _ е' е

где

д = И— е1 +е2

78

Теплофизика

Особенности распространения тепловых возмущений в слоистых телах при импульсном подводе энергии к поверхности

Здесь 0 - плотность теплового потока;

а/ - коэффициент температуропроводности первого слоя; Ь] - толщина первого слоя;

е/ и в2 коэффициент теплоусвоения первого и второго слоев соответственно.

На рис. 1 представлен качественный ход кривых То=То(1), полученных по соотношениям (1-5)

То

Рис. 1. Качественный характер изменения критерия термической однородности То

Кривая АВСБЕР соответствует однородному материалу, нагреваемому прямоугольным импульсом длительностью АВ, при этом, вБ - время последействия импульса.

Остальные кривые отвечают случаям нагрева ¿-импульсом:

1 - (вБЕР) - материал термически однороден;

2 - (БОЕМ) - теплоусвоение материала поверхностного слоя больше теплоусвоения материала подложки;

3 - (СБЕЬ) - теплоусвоение материала поверхностного слоя меньше теплоусвоения материала подложки;

4 - (ОВЕН) - материал представляет собой адиабатически изолированную пластину конечной толщины.

Видно, что критерий То отражает изменение условий на границах слоев, что может быть использовано для создания систем диагностики дефектности материалов и определения их ТФС.