【激光辐照热效应混合模拟方法】 食品辐照的生物学效应

　　摘要： 针对激光辐照热效应模拟中传统的有限元法对复杂几何结构和多次散射光处理能力较差的问题，在三维多物理场流固耦合问题并行计算程序CFS中实现射线追踪有限元模拟方法.与传统有限元法相比，该方法在有限元网格划分的基础上，采用射线追踪技术将各网格单元所吸收的辐照激光能量加入方程求解系统.对2A12硬铝材料腔体结构件激光辐照热效应的计算表明，该方法提高程序对计算模型几何结构复杂性的适应能力，解决多次散射光存在时传统方法难以准确描述辐照激光能量在求解区域中分布的问题，从而有效扩展CFS程序的使用范围.
　　关键词： 射线追踪； 激光辐照； 热效应； 多次散射光； 有限元； CFS
　　中图分类号： TN244；TB115.1 文献标志码： B
　　Hybrid simulation method for thermal effects of
　　laser irradiation
　　ZHANG Xianghua1, SHU Qingbang1, DU Taijiao1,2, WANG Yuheng1,2, CHEN Zhihua1,2
　　（ 1. Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China;2. State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Xi’an 710024, China）
　　Abstract： As to the problem that the handling capacity on complex geometrical structure and repetitious scattering rays is poor in the simulation on thermal effects of laser irradiation using traditional finite element method, ray tracing vs finite element simulation method is implemented in the parallel computing program CFS which is for solving fluidsolid coupling problem in 3D multiphysical fields. Compared with the traditional finite element method, based on the finite element meshing and ray tracing technology, the system is solved by adding laser irradiation energy absorbed by elements in equations. The calculation of thermal effects of laser irradiation on cavity structure which is made of hard Aluminum 2Al2 shows that the method improves the capacity of computational model program in adopting for geometrical structure complexity, and also can solve the problem that it is difficult to describe the laser irradiation energy distribution accurately in the solving area using traditional method while repetitious scattering rays exist. Then the use of program CFS can be extended efficiently.
　　Key words： ray tracing; laser irradiation; thermal effect; repetitious scattering ray; finite element; CFS
　　0 引 言
　　激光辐照热效应是激光与物质相互作用的重要研究内容之一，多年来一直受到国内外众多学者的关注.ZHAO等［1］研究激光辐照下HgCdTe探测器的热效应；王玉恒等［2］和刘峰等［3］研究激光辐照下结构件的热响应；刘全喜等［4］采用有限元法研究光伏型光电探测器的激光加热效应；唐芳等［5］用数值模拟研究激光辐照下的皮肤热效应；孙承伟［6］归纳和总结国内外学者的研究成果.上述研究工作主要基于几何结构简单的计算模型，未涉及入射激光在模型中多次散射的问题.
　　射线追踪有限元模拟方法综合射线追踪技术和有限元法的优点，可以有效模拟入射能量在复杂结构中的传输与分布.近年来，关于射线追踪有限元模拟方法的研究逐渐增多，GRUHLKE［7］利用该方法成功实现NPSAT1卫星的热分析；FIALA等［8］采用该方法在MATLAB中开发光学照明系统的数值模拟程序；ZIEMELIS［9］介绍该方法在电磁散射问题中的应用；ZHANG等［10］采用该方法研究面泵浦激光二极管内三维应力场和温度场的分布.虽然射线追踪有限元模拟方法已经在多个领域取得成功应用，但是在激光辐照热效应研究方面尚未见到相关的文献报道.
　　本文在三维多物理场流固耦合问题并行计算程序CFS中实现激光辐照热效应的射线追踪有限元模拟方法，并以2A12硬铝材料腔体结构件为例，采用该方法计算其在激光辐照下的温度场分布，分析该方法与传统有限元法计算结果的差异，并探讨存在多次散射光时射线追踪有限元模拟方法的优越性.