تحلیل میدان حرارتی و بررسی انتقال حرارت غیر فوریه ای در فلزات تحت تأثیر انرژی های متمرکز حرارتی

مطالعه انتقال حرارت در حین پدیده ذوب و انجماد در بسیاری از کاربردهای مهندسی از قبیل جوشکاری، رشد کریستال، آبکاری فلزات، ریخته گری از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. در این رساله به تحلیل میدان حرارتی و بررسی پدیده انتقال حرارت هدایت فوریه ای و غیرفوریه ای در فلزات تحت اثر جوشکاری متمرکز پرداخته شده است. فلزی از جنس تیتانیوم ti6al4v در حالت متحرک در معرض انرژی لیزر قرار گرفته ومیدان حرارتی نامتقارن به دست آمده است. ابتدا یک شبیه سازی عددی از معادلات حاکم برای حل مسئله معادله انتقال حرارت غیرفوریه ای فوریه ای انجام شده و با استفاده از شرایط مرزی و اولیه، معادلات حل شده اند. شکل سطح مقطع پرتو متمرکز به صورت دایرهای و توزیع شدت آن از نوع توزیع گوسی در نظر گرفته شده است. خواص فیزیکی فلزات تابعی از دما و حالت جسم هستند و تغییرات ترموفیزیکی خواص در حل مسئله منظور شده است. برای حل عددی از یک شبکه بندی متعامد مرکب استفاده شده است. برای صحت سنجی نتایج حل عددی یک سیستم آزمایشگاهی را راه اندازی نموده و فلز از از جنس تیتانیوم ti6al4v با خواص معلوم تحت اثر انرژیهای حرارتی متمرکز قرار داده شده است. میدان حرارتی با تغییر پارامترهای مختلف از قبیل شار حرارتی، سرعت حرکت، زمان تابش اشعه، شعاع اشعه بدست آمده و با نتایج عددی مقایسه شده اند. نتایج نشان میدهند که افزایش ابعاد حوضچه مذاب (عرض و عمق) به دلیل افزایش توان متوسط در مقایسه با افزایش شار حرارتی به دلیل کاهش قطر بسیار چشمگیرتر بوده و نشان از آن دارد که پارامتر توان متوسط در مقایسه با قطر پرتو یک پارامتر کلیدی در جهت افزایش ابعاد حوضچه مذاب است. همچنین با افزایش انرژی پالس عمق نفوذ حوضچه مذاب افزایش می یابد. در حقیقت با این روش می توان به صورت غیرمستقیم با استفاده از دمای نقاط نزدیک حوضچه مذاب عرض و عمق جوشکاری را پیش بینی نمود. بدیهی است با توجه به انطباق شبیه سازی عددی انجام شده با نتایج تجربی از این مدل عددی جهت پیش بینی هندسه جوشکاری مواد دیگری به جز تیتانیوم نیز میتوان استفاده کرده و در هزینه مواد اولیه، عملیات آماده سازی و انجام آزمایشها و نیروی انسانی صرفه جویی نمود. در پایان نیز دو مسئله حرارتی به صورت تحلیلی و با ترکیبی از روش بر هم نهش و روش حل تئوری ساختار بررسی شده است: یک دیوار یک بعدی ساخته شده از یک ماده همگن که در معرض شرایط مرزی شار حرارتی ثابت بر روی مرز سمت چپ و دمای ثابت بر روی مرز سمت راست قرار داده شده است و دوم یک دیوار که در مرز سمت چپ عایق بوده و مرز سمت راست در معرض انتقال حرارت جابجایی با محیط قرار دارد. همانگونه که نتایج نشان میدهند در زمان آسایش بزرگ حل معادله غیر فوریه ای دمای کمتری را نسبت به حل فوریه پیش بینی میکند و هرچه زمان آسایش به سمت صفر میل میکند، حل معادله انتقال حرارت فوریه ای و غیر فوریه ای به یکدیگر نزدیکتر میشوند.