Fluidní modelování interakce laserového záření s porézními materiály

Abstract

Hydrodynamické numerické modelování interakce laserového záření s porézní látkou je velmi komplikováno přítomností její vnitřní mikrostruktury, která se vyznačuje velkým kontrastem v hustotě mezi jejími jednotlivými částmi. Modelování pěnového terčíku jako homogenního materiálu, tj. bez započítání vnitřní pěnové struktury, značně nadhodnotí rychlost jeho propalování při interakci s intenzivním laserovým svazkem. Pro získání správných výsledků je nutné zohlednit vnitřní pěnovou strukturu a do modelu započítat i proces tzv. homogenizace pěny, při kterém jsou póry pěny vyplňovány expandujícím plazmatem a neumožní laserovému svazku po určitou dobu proniknout dále do materiálu. Jednou z metod, pro modelování porézních materiálů je multiškálový model, kde se současně simuluje pěnový terčík na dvou prostorových škálách a který umožňuje modelovat i pěny s reálnou vnitřní strukturou s náhodně orientovanými pevnými pěnovými elementy. Další metodou je metoda hydrotermální vlny, kterou jsme implementovali do 1D i 2D hydrodynamických kódů. V této práci jsme také navrhli a otestovali několik vylepšení multiškálového modelu i metody hydrotermální vlny, včetně jejich kombinace. Výsledky z těchto metod jsme porovnali s vybranými experimenty.

Hydrodynamic numerical simulations of laser-foam interaction present a serious challenge, mainly due to high density contrast between the solid foam elements and empty pores in foam microstructure. Low density foams cannot be simply modeled as an uniform material, as such results lead to overestimation of ionisation front propagation speed. Foam homogenisation process needs to be taken into account to obtain a correct description of laser absorption. During this homogenisation phase, all empty voids are filled with expanding plasma from solid foam elements. Density of these solid elements must decrease below the critical density before the laser radiation can penetrate further into the porous target. One of the special methods, available for the simulations of laser-foam interaction, is a multiscale method that uses two spatial scales simultaneously to model laser absorption in foams. Different method, based on the model of the laser-supported hydrothermal wave in partially homogenised plasma, was implemented in one and two-dimensional hydrodynamic codes in order to obtain a comparison with experimental measurements. A few improvements and modifications to both multiscale and hydrothermal wave methods, including their combination, are proposed and tested in this thesis. Results are then presented and compared to the selected experiments.