Finite element calculation for the surface profile of marine microbial layers after laser cleaning

Abstract

本文以高强钢表面海洋微生物膜层为研究对象，开展了激光清洗试验与数值模拟研究。基于激光清洗常用的数值建模思想建立激光辐照模型，并改进了材料的去除过程从而建立了激光烧蚀模型，采用两种模型计算比较了功率200W~800W，频率10kHz和20kHz下激光清洗的温度场和清洗轮廓，并分析了不同光斑搭接率对清洗质量的影响。结果表明：功率为600W时激光辐照模型计算的清洗宽度达906μm，明显超过了光斑直径900μm，而激光烧蚀模型仅有882μm且功率增大到800W也没有超过光斑直径。200W功率下激光清洗实验测得的最高温度约为423.5K，激光烧蚀模型计算值为432K，而激光辐照模型计算值高达2441K。200W功率下激光清洗实验测得的清洗深度约为33.7μm，激光烧蚀模型计算值约为32.6μm，而激光辐照模型计算值高达63.9μm；因此结合试验和理论计算分析结果表明激光烧蚀模型相较激光辐照模型精确度更高。此外，采用激光烧蚀模型对5~10kHz频率激光清洗表面进行模拟，结果显示：在采用经典高斯能量分布激光束进行激光清洗时，应保持光斑搭接率在50%以上，以保证清洗质量均匀一致。