[论文解读] Laser induced ponderomotive convection in water

Mikhail N. Shneider, V. V. Semak|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Laser-induced spectroscopy and plasma参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出一个理论模型，表明红外激光辐照通过辐射压强力和热浮力在水中诱导对流。数值模拟显示，初始阶段激光驱动的流动沿光束方向，随着温度升高，阿基米德力占主导地位，流动转变为向上对流，与实验观测一致。

ABSTRACT

A new mechanism for inducing convection during IR laser interaction with water or any absorbing liquid is described theoretically. The numerical simulations performed using the developed model show that the optical pressure and ponderomotive forces produces water flow in the direction of the laser beam propagation. In the later stage of interaction, when water temperature rises, the Archimedes force becomes first comparable and then dominant producing convection directed against the vector of gravitational acceleration (upward). The theoretical estimates and the numerical simulations predict fluid dynamics that is similar to the observed in the previous experiments.

研究动机与目标

• 识别并建立一种在红外激光辐照下吸收性液体（如水）中流体对流的新机制的理论模型。
• 分析随着温度升高，由激光驱动的辐射压强力流动向热对流驱动的浮力对流的转变过程。
• 预测与激光诱导水体流动实验观测一致的流体动力学行为。
• 量化光学压力、辐射压强力和阿基米德力在塑造流动形态中的相对作用。

提出的方法

• 开发一个理论模型，模拟红外激光与水的相互作用，包含光学压力和辐射压强力。
• 求解流体动力学、传热和电磁场分布的耦合方程组。
• 辐射压强力由激光强度梯度导出，驱动初始流体沿光束方向运动。
• 通过计算热膨胀和密度变化，确定随温度升高而增大的浮力力（阿基米德力）。
• 数值模拟追踪流速和方向随时间的演化，捕捉从激光驱动到热对流主导的转变过程。
• 通过将预测的流动形态与实验观测的激光诱导水体流动进行对比，验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红外激光辐照下，是什么物理机制驱动水体中的流体对流？
• RQ2 辐射压强力如何影响初始流体流动的方向和大小？
• RQ3 热浮力（阿基米德力）在何时会超过辐射压强力，从而主导流动方向？
• RQ4 流体流动的时序演化如何从与光束对齐转变为向上对流？
• RQ5 模型预测与实验观测到的流体动力学在多大程度上一致？

主要发现

• 由激光强度梯度引发的辐射压强力在激光传播方向上产生初始流体流动。
• 由于激光吸收导致水温升高，阿基米德力随之增大，最终超过辐射压强力。
• 当热浮力成为主导力时，流动方向从与光束对齐转变为向上，与重力方向相反。
• 数值模拟再现了实验观测中从向前流动到向上对流的转变。
• 该模型成功预测了激光辐照下流体速度和流动结构的时空演化。
• 该理论框架为此前无法解释的激光辐照水体中的流体动力学现象提供了统一的解释。