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Numerical study of steady state and transient laser melting problems—I. Characteristics of flow field and heat transfer

1990; Elsevier BV; Volume: 33; Issue: 6 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(90)90247-r

1879-2189

Biswajit Basu, A.W. Date,

Laser and Thermal Forming Techniques

Steady state and transient laser melting problems are numerically simulated. Enthalpy formulation is used for solving the energy equation and momentum equations are solved only in the liquid domain by the SIMPLE algorith. Using a Gaussian distribution of input heat flux, a wide range of studies are performed for steel and aluminium by varying the beam power density and the beam radius. The pool shape and the surface tension driven flow field are found to be quite different in nature for steel and aluminium. The streamline plots show the existence of two contra-rotating cells in the molten pool the size and strength of which are found to be strongly dependent on the material property, i.e. the Prandtl number. On simule numériquement les problèmes permanents ou variables de fusion laser. On utilise la formulation enthalpique pour résoudre l'équation d'énergie et les équations de quantité de mouvement sont résolues seulement dans le domaine liquide par l'algorithme SIMPLE. A partir d'une distribution gaussienne de flux de chaleur incident, on conduit un large domaine d'étude pour l'acier et l'aluminium en faisant varier la puissance et le rayon du faisceau. La forme du bain et le champ d'écoulement piloté par la tension interfaciale sont complètement différents entre l'acier et l'aluminium. Il existe dans le bain deux cellules contra-rotatives dont la taille et l'intensité dépendent fortement des propriétés du matériau, dont le nombre de Prandtl. Stationäre und instationäre lasergeheizte Schmelzvorgänge werden numerisch untersucht. Die Energieerhaltungsgleichung wird mit der Enthalpie als abhängiger Variablen gelöst. Die Impulserhaltungsgleichungen werden ausschließlich in der Schmelze mit dem SIMPLE-Algorithmus gelöst. Unter Verwendung einer Gaußverteilung für die aufgeprägte Wärmestromdichte werden eine große Anzahl von Untersuchungen für Stahl und Aluminium durchgeführt, indem Strahlleistungsdichte und Radius variiert werden. Die Formen der Schmelzzone und die durch Oberflächenspannung induzierten Strömungsfelder sind für Stahl und Aluminium recht unterschiedlich. Die Stromlinienbilder zeigen die Existenz zweier gegensinnig rotierender Konvektionszellen in der Schmelze, deren Größe und Stärke ausgeprägt von den Materialeigenschaften, d.h. von der Prandtl-Zahl, abhängen.