WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

2 Управляющий Поток сигнал на данных на X SMOS-камеру управляющий компьютер Y Управляющий сигнал на координатный стол Управляющий сигнал на силовой лазер Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 –лазер (YAG:Nd), 2 – шторка, 3 – поворотное зеркало для излучения с =1,06 мкм, 4 – объектив, 5 – исследуемый образец на координатном столе, 6 – поворотное зеркало, 7 - лазер на парах меди, 8 – поворотное зеркало, 9-корректирующая линза, 10 – SMOS-камера с жестким диском, 11 – управляющий компьютер, 12 – сервер В параграфе §2.3. Представлены оптические изображения области лазерного воздействия на поверхности металла, полученные при помощи описанной выше экспериментальной установки. Зафиксированы различные состояния поверхности, соответствующие ламинарному течению расплава, выплеску под действием давления паров отдачи при кипении жидкости, в виде турбулентного течения кольцевой формы и расширению области турбулентного течения при движении расплава по инерции после прекращения кипения и исчезновения давления паров отдачи. После прекращения действия лазерного импульса обнаружено формирование волн на поверхности расплава.

В параграфе §2.4. получены распределения энергии гидродинамического течения по пространственным частотам (см. рис. 2.) в области лазерного воздействия при различных значениях плотности мощности излучения для изображений, соответствующих движению - 8 расплава по инерции. Расчет энергии, приходящийся на соответствующий пространственный масштаб, проводился с использованием двумерного преобразования Фурье.

Рис. 2. Распределение энергии по пространственным масштабам в двойном логарифмическом масштабе рассчитанные для изображения соответствующего движению расплава по инерции: квадратные маркеры – 20Вт; круглые маркеры – 60 Вт.

На графиках (рис. 2) можно выделить линейный участок убывания, наклон которого соответствует степени -1,43 в законе распределения энергии пульсации скорости по пространственным масштабам -1,E(k) = C1 * k (1) Средний радиус области занимаемой расплавом (лазерной каверны) rmax=0,3 мм соответствует внешнему масштабу турбулентности, rmin=0,005 мм соответствует минимальному расстоянию между градациями яркости оптического изображения. Такой вид зависимости позволяет выделить инерционный интервал и говорить о развитом турбулентном многовихревом движении, однако не позволяет разделять изображения, полученные при разных значениях средней мощности по классам хаотизации. С увеличением плотности мощности падающего излучения при достижении значения Q 107 Вт / см2, можно наблюдать смену режима выплеска расплава на фонтанирование, с уменьшением плотности мощности происходит переход в маломодовый режим хаотических гидродинамических колебаний.

В параграфе §2.5. вводятся количественные характеристики турбулентного течения в режиме выплеска расплава. Предложен алгоритм преобразования изображения области воздействия лазерного излучения на - 9 вещество в двухцветное на основе модели многовихревого движения.

Анализ полученных изображений методами фрактальной геометрии и теории информации позволил разделить состояния поверхности по классам хаотизации.

Однако прямое применение предложенных методов было невозможно из-за наличия большого количества различных градаций серого и фоновых компонент, для устранения вызванных этим ошибок были предложены модификации расчетов таких величин, как размерность Хаусдорфа и энтропия Шеннона, полученные параметры (локальная размерность подобия Dlx, информационная энтропия i и топологическая энтропия t) позволили идентифицировать различные режимы состояния поверхности под действием лазерного излучения при различной интенсивности.

Таблица № Характерные Мощность 20Вт Мощность 60Вт параметры Волны на Турбулентное Волны на Турбулентное поверхности течение поверхности течение Dlx 1,91 2,23 2,01 2,0,26 0,47 0,29 0,I 0,92 1,1 0,93 1,t Из таблицы видно, что для изображения без особенностей, в нашем случае это волны на поверхности расплава вещества, величина Dlx близка к 2. Если распределение яркости оптического изображения соответствующего турбулентному течению, становится хаотическим, то размерность Dlx скачком возрастает, причем при увеличении плотности мощности амплитуда скачка увеличивается. Аналогичное изменение испытывают величины информационной и топологической энтропии, то есть данные параметры характеризуют степень хаотизации оптического изображения, а значит и течения, которое ему соответствует.

В параграфе §2.6. предлагается механизм формирование волн на поверхности металлов. Проведенные эксперименты позволяют сделать предположение, что волновые структуры образуются на расплаве при кристаллизации, после окончания действия лазерного импульса.

Поскольку затухание гидродинамических возмущений после выключения лазерного излучения происходит неравномерно, то в первую очередь затухают мелкомасштабные возмущения, и начиная с некоторого момента времени остается только крупномасштабное вихревое течение. При натекании потока на границы и равенстве его скорости фазовой скорости - 10 волн должны формироваться стационарные капиллярные волны. Если длина волны известна, то можно найти скорость натекающего потока по формуле:

U = th(2H ) (2), где - длина волны, измеренная по оптическому изображению волновых структур (рис. 2.4). Из (2) получаем значение скорости U = 8,43 м/с для титана, U = 2,8 м/с для свинца. Значения скоростей потока достаточно хорошо соответствуют теории и результатам измерений. При таком механизме формирования капиллярных стационарных волн и их кристаллизации возможно образование спиральных волновых структур, которые и обнаруживаются в некоторых экспериментах.

В третьей главе проведены эксперименты по изучению временных зависимостей параметров (амплитуды, энергии) лазерно-индуцированных гидродинамических колебаний на поверхности различных металлов.

В параграфе §3.1. рассмотрены особенности установившегося многовихревого движения расплава. Определены параметры лазерного излучения, при которых возможно развитие в ванне расплава маломодового хаоса. Представлен метод анализа динамических систем по одномерной наблюдаемой реализации.

В параграфе §3.2. представлена методика измерений временных зависимостей яркости оптических изображений, соответствующих гидродинамическим процессам индуцированным лазерным излучением в расплаве металла.

В параграфе §3.3. приведены зависимости яркости J(t), в центре изображения, которые испытывают достаточно сильные выбросы и имеют характер нерегулярных колебаний (см. рис. 3). Анализ статистических свойств (параграф §3.4), проведенный с использованием одномерного преобразования Фурье, показал, что высокочастотная часть спектра содержит частоты отвечающие частоте силового лазера ее гармоникам и субгармоникам. В низкочастотной части спектра наблюдается характерный пьедестал, что указывает на хаотическую природу колебаний. После фильтрации (частот силового лазера) в низкочастотной части спектра удалось выявить субгармонический каскад частот (см. рис. 4). В зависимости от исследуемого вещества и средней мощности лазерного излучения наблюдалось не только увеличение количества бифуркаций, но и появление новых колебаний испытывающих в свою очередь удвоение периода. Наблюдаемые колебания можно объяснить только перестройкой режимов течения расплава от одновихревого к многовихревому и обратно.

- 11 а) б) Рис. 3 Зависимость яркости в центре изображения от времени: а) сталь; б) свинец.

Рис. 4. Спектр мощности временной зависимости отраженного излучения от поверхности металла в момент времени t=8с после начала воздействия лазерного излучения мощностью 30Вт Параграф §3.5. посвящен динамическим и информационным свойствам временных зависимостей яркости отраженного излучения. Для их определения использовались методы нелинейной динамики и фрактальной геометрии. С использованием теоремы Такенса были восстановлены фазовые портреты динамической системы, соответствующей наблюдаемым гидродинамическим колебаниям, которые возбуждаются лазерным излучением (см. рис 5). Динамические и информационные свойства рассчитывались с использованием аппарата размерностей. Были определены размерность по Ляпунову DL,, фрактальная DH, информационная DI и корреляционная DC. Расчет для фазовых портретов в различные моменты времени позволил определить скорость и характер хаотизации лазерно-индуцированных гидродинамических колебаний (см. таб. 2). Во всех случаях в начальный момент времени значения размерностей близко к размерности двумерного тора, при дальнейшем воздействии развивается хаотический режим через разрушение двух или трех независимых гидродинамических частот.

Размерности аттрактора приближаются к значениям характерным для «странных аттракторов» динамических систем с тремя степенями свободы.

- 12 а) б) Рис. 5 Динамика изменения фазовых портретов в пространстве координат временной задержки, полученная по одномерной реализации яркости изображения области воздействия лазерного излучения средней мощности 20Вт на поверхность свинца при разных длительностях t реализации: а) t=1с; б) t=8с;

Таблица №Размерность Длительность реализации 1с 8с DL 2,12 2,DH 2,08 2,DI 2,07 2,DC 2,05 2,В четвертой главе исследованы процессы протекающие на поверхности графитовых образцов непосредственно в процессе воздействия на них лазерного излучения.

В параграфе §4.1. представлены результаты исследования эволюции поверхности графита с помощью лазерного монитора. Зафиксировано, что наряду с твердофазным разрушением поверхности графитовых образцов (средняя мощность P<50Вт), наблюдаются признаки плавления поверхности внутри области воздействия (средняя мощность P>50Вт).

В параграфе §4.2. рассмотрен метод восстановления трехмерного рельефа поверхности на основе двумерного изображения. Метод основан на законе отражения лазерного излучения от поверхности графитовых образцов с учетом отражательных свойств материала (индикатрисы рассеяния при отражении). Для восстановленных рельефов оценивалась шероховатость поверхности с использованием статистики Херста.

Расчеты коэффициента корреляции высот рельефа приведены в параграфе §4.3. Анализ рельефов поверхности, полученных для различных - 13 моментов воздействия, позволяют установить, что до воздействия распределении высот имеет хаотический характер, в процессе воздействия удается выявить появление корреляции в распределении высот, достигающей максимума при установлении границ области лазерного воздействия.

Таблица № Время после начала Коэфф. корреляции воздействия С(r) 0с 0,0,44с 0,0,76с 0,Следовательно, шероховатость поверхности уменьшается, что может являться косвенным признаком образования жидкой пленки внутри лазерной каверны.

В заключении сформулированы следующие основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Получены при помощи лазерного усилителя яркости в реальном времени и классифицированы динамические оптические изображения области лазерного воздействия на вещество для различных процессов, протекающих на поверхности под действием лазерного излучения (ламинарное течение, турбулентное течение, сублимация поверхности).

2. Для оптических изображений области лазерного воздействия в режиме выплеска расплава получен спектр пространственных частот гидродинамических колебаний, имеющий линейный участок, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности излучения. Проведен сравнительный анализ спектров.

3. На основе методов фрактальной геометрии и теории информации рассчитаны характерные параметры, определяющие степень хаотизации оптических изображений области лазерного воздействия. Показана зависимость параметров от плотности мощности падающего излучения и состояния поверхности.

4. Обнаружен хаотический характер низкочастотных гидродинамических колебаний, индуцированных лазерным излучением. Показано, что в спектре мощности наблюдается субгармонический каскад удвоения периода колебаний.

5. Восстановленные фазовые портреты имеют качественные и количественные характеристики подтверждающие сценарий хаотизации гидродинамических частот через разрушение двумерного тора, показана зависимость - 14 характерных параметров фазовых портретов от плотности мощности лазерного излучения.

6. Исследованы процессы протекающие на поверхности графитовых образцов под действием лазерного излучения. Полученные при помощи лазерного монитора оптические изображения преобразованы в трехмерный рельеф поверхности. Для этого предложен и реализован метод восстановления вероятного вида трехмерных рельефов поверхности образца на основе его двумерного изображения. С использованием методов статистики Херста рассчитаны коэффициенты корреляции восстановленных рельефов.

Показано, что корреляция в распределение высот возрастает при лазерном воздействии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Багаев С.Н. Прокошев В.Г. Кучерик А.О. Аракелян С.М. Климовский И.И Гидродинамика расплава поверхности металла при лазерном воздействии; наблюдение смены режимов в реальном времени. Доклады академии наук. Т. 395, №. 2, 2004, с.183-2. В.Г. Прокошев, Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, И.И. Климовский, А.О. Кучерик Гидродинамические неустойчивости и волны, индуцированные импульсно-периодическим лазерным излучением на поверхности вещества// Известия академии наук. Серия физическая. Т.

70, №3, 2006 с. 354-3. Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, И.И. Климовский, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев Визуализация и восстановление рельефа области лазерного воздействия на поверхность графита // Известия академии наук. Серия физическая. Т. 70, №3, 2006 с. 423-4. D. V. Abramov, S. M. Arakelian, A. F. Galkin, I. I. Klimovskii, A.O. Kucherik, and V. G. Prokoshev A Laser-induced process on the surface of a substance and their laser diagnostics in real time// Laser Physics, Vol.

15, No. 9, 2005, pp. 1313–5. Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, И.И. Климовский, А.О. Кучерик, В.Г.

Прокошев. «Пространственные и динамические свойства гидродинамических неустойчивойчивостей, индуцированных мощным лазерным излучением на поверхности вещества»// В сб.: Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, Выпуск 4, 2002г., / Под ред. В.Е. Фортова стр. 185-190.

6. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Гамыгин К.А., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Временная эволюция поверхности графита под действием сконцентрированного лазерного излучения. // В сб.: Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний - 15 ОИВТ РАН. Выпуск 6 #8211; 2003 / Под ред. В.Е. Фортова и А.П.

Лихачева. - М.: ОИВТ РАН. 2004. С. 193-198.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»