Численное решение температурных эффектов в полимерных материалах при обработке их импульсными ионными пучками с учетом релаксационного параметра потоков тепла
DOI:
https://doi.org/10.17072/1993-0550-2022-3-38-48Ключевые слова:
полимер, теплопроводность, релаксация потока, численное моделирование, метод конечных разностейАннотация
В рамках одномерной постановки задачи проведено численное моделирование движения тепловой волны в материале, поверхность которого обрабатывается импульсным ионным пучком. Действие импульса учтено через функцию источника, которая задана линейной зависимостью от времени и глубины проникновения иона в материал. Приведенное уравнение теплопроводности представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение с присутствующим в нем параметром, отражающим время релаксации потока тепла. Уравнение теплопроводности дополняется уравнением изменения во времени теплового потока, предложенное Каттанео и Вернотте. Полученная система уравнений для температуры и теплового потока решена численно с применением метода конечных разностей. Показано существенное влияние значения параметра релаксации на формирование температурных профилей в окрестности обрабатываемой поверхности материала.Библиографические ссылки
Cолоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В., Оришич А.М. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Новосибирск: Наука,Сиб. издат. фирма РАН, 2000, 425 с.
Kondyurina I., Nechitailo G.S., Svistkov A.L., Kondyurin A., Bilek M. Urinary catheter with polyurethane coating modified by ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2015. V. 342. P. 39–46. DOI: 10.1016/j.nimb.2014.09.011
Kurella A., Dahotre N.B. Review paper: Surface Modification for Bioimplants: The Role of Laser Surface Engineering // J. Biomater. Appl. 2005. V.20, N.1. P.5–50. DOI: 10.1177/0885328205052974
Morozov I.A., Kamenetskikh A.S., Scherban M.G. The challenges of creating deformable plasma coatings on the surface of elastic polymers // AIP Conference Proceedings 2176. 2019. N.040009. DOI:10.1063/1.5135158
Hauert R., Thorwarth K., Thorwarth G. An overview on diamond-like carbon coatings in medical applications // Surface and Coatings Technology. 2013. V.233. P.119–130. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.04.015
Chudinov V., Kondyurina I., Terpugov V., Kondyurin A.Weakened foreign body re-sponse to medical polyureaurethane treated by plasma immersion ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2019. V.440, N.4. P.163–174.DOI:10.1016/j.nimb.2018.12.026
Лясникова А.В. Моделирование процессов образования наноструктур при плазменном напылении пористопорошковых гидро-ксиапатитовых покрытий // Известия Саратовского университета. Сер. Физика. 2011. Т.11. Вып. 1. С. 37–41.
Князева А.Г. Моделирование физических и химических явлений в процессах обработки поверхностей материалов высокоэнергетическими источниками // Математическое моделирование систем и процессов. 2009. № 17. С. 66–84.
Витохин Е. Ю., Бабенков М. Б. Численное и аналитическое исследование распространения термоупругих волн в среде с учетом релаксации теплового потока // Приклад-ная механика и техническая физика. 2016. Т. 57, № 3. С. 171–185.
Кирсанов Ю. А., Кирсанов А. Ю., Юдахин А. Е. Метод измерения тепловой релаксации в твердом теле // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56, № 3. С.446–454. DOI: 10.7868/S0040364418030183
Кирсанов Ю. А., Кирсанов А. Ю. Описание кратковременного процесса уравнением теплопроводности с дробными производными // Труды Академэнерго. 2020. № 3. С. 7–19.
Ordóñez-Miranda J., Alvarado-Gil J. J. Thermal wave oscillations and thermal relaxation time determination in a hyperbolic heat transport model // International Journal of Thermal Sciences. 2009. V.48, N.11. P. 2053–2062.DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2009.03.008
Vedavarz A., Kumar S., Moallemi M. K. Significance of Non-Fourier Heat Waves in Conduction // Journal of Heat Transfer. 1994. V.116. P.221–224. DOI:10.1115/1.2910859
Бабенков М. Б. Анализ распространения гармонических возмущений в термоупругой среде с релаксацией теплового потока // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54, № 2. С. 126–137.
Ильина Е.С., Демидов В.Н., Князева А.Г. Особенности моделирования диффузионных процессов в упругом теле при его поверхностной модификации частицами // Вестник ПНИПУ. Механика. 2012. №3. С.25–49.
Amirkhanov I.V., Sarker N.R., Sarkhadov I. Numerical simulation of thermal processes occurring in materials under the action of femtosecond laser pulses // Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science. 2021. V.29, N.1. P.5–13. DOI: 10.22363/2658-4670-2021-29-1-5-13
Амирханов И.В., Дидык А.Ю., Земляная Е.В., Пузынин И.В., Пузынина Т.П. и др. Численное исследование температурных эффектов в материалах при облучении их тяжелыми ионами высоких энергий в рамках уравнений теплопроводности для электронов и решетки // Письма в ЭЧАЯ. 2006. Т.3, № 1(130). С. 63–75.
Waligorski M.R.P., Hamm R.N., Katz R. The radial distribution of dose around the path of a heavy ion in liquid water // Nucl. Tracks Radiat. Meas. 1986. V.11. P.306–319.
Князева А.Г., Тян А.В. Численное моделирование электронно-лучевой обработки материалов с учетом поверхностной активации и внутренних механических напряжений // Вычислительные технологии. 2010. Т.15, №3. С.82–98.
Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983, 258 с.
Самарский А.А., Гулин А.В. Устойчивость разностных схем. М.: Наука, 1973, 308 с.
Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987, 277 с.
Комар Л. А., Свистков А. Л. Термодина-мика упругого материала с релаксирую-щим потоком тепла // Известия РАН. Ме-ханикатвердоготела. 2020. №4. C. 152–157. DOI: 10.31857/S0572329920040066.
Matsunaga R. H., Santos I. Measurement of the Thermal Relaxation Time in Agar-gelled Water // 34th Annual International Conference of the IEEE EMBS. 2012. P. 5722–5725.
Mitra K., Kumar S., Vedavarz A., Moallemi M.K. Hyperbolic Heat Conduction in Processed Meat // Journal of Heat Transfer. 1995. V. 117. P. 568–573.
Roetzel W., Putra N., Das S.K. Experiment and analysis for non-Fourier conduction in materials with non-homogeneous inner structure // International Journal of Thermal Sciences. 2003. V.42. P.541–552. DOI: 10.1016/S1290-0729(03)00020-6
Khayat R.E., de Bruyn J., Niknami M., Stranges D.F., Khorasany R.M.H. Non-Fourier effects in macro- and micro-scale non-isothermal flow of liquids and gases. Review // International Journal of Thermal Sciences. 2015. V.97. P.163–177. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2015.06.007
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2022 Людмила Андреевна Комар
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Публикация статьи в журнале осуществляется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
