Modelling of microscale heat transfer in cylindrical domains

• Autorzy: Mochnacki B. , Majchrzak E.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie mikroskalowego przepływu ciepła w obszarach cylindrycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Thermal processes in a thin metal film subjected to a short-pulse laser heating are considered (axially-symmetrical 2D problem). Heat transfer through thin films subjected to an ultrafast laser pulse is of vital importance in microtechnology applications and it is a reason that the problems connected with a fast heating of solids have become a very active research area. The heat transfer proceeding in domain analyzed (microscale heat transfer) is described by dual phase lag model (DPLM). According to the newest opinions the DPLM constitutes a very good description of real heat transfer processes proceeding in the micro-scale domains subjected to the strong external heat flux. The base of DPLM formulation is a generalized form of Fourier law (GFL) in which two time parameters tauq, tau appear (the relaxation time and thermalization one, respectively). The acceptation of GFL leads to DPLM equation (Özisik & Tzou, 1994; Smith & Norris, 2003). In the paper the thermal interactions between external heat source qb and cylindrical micro-domain are analyzed. The capacity of external heat source (the Neumann boundary condition) is given by function dependent on spatial coordinates and time. On the boundary beyond the region of laser action, the no-flux condition is assumed. It should be pointed out that the DPL model requires the adequate transformation of boundary conditions which appear in the typical macro heat conduc-tion models. The initial conditions arę also known (initial temperature of domain and initial heating rate). Numerical model of the process discussed bases on a certain variant of FDM presented with full particulars in Chapter 2.

PL

W pracy rozpatruje się proces przepływu ciepła w mikroobszarach poddanych działaniu wiązki laserowej (zadanie osiowo-symetryczne). Analiza problemów tego typu ma istotne znaczenie w szeroko rozumianej mikrotechnologii i stąd wynika duże zainteresowanie badaniami teoretycznymi oraz eksperymentalnymi związanymi z ultraszybkim oddziaływaniem lasera na powierzchnię mikrowarstw wykonanych z różnych materiałów. Przepływ ciepła w mikroskali może być opisany m.in. równaniem różniczkowym energii z dwoma czasami opóźnień (DPL - dual phase lag) i zgodnie z najnowszymi poglądami taki właśnie model stanowi najlepsze przybliżenie rzeczywistych procesów cieplnych zachodzących w tej skali. DPL wynika z uogólnienia znanego prawa Fouriera do którego wprowadza się dwaj dodatkowe parametry tau q tau T (czas relaksacji i czas termalizacji, odpowiednio). Tematem rozważań w prezentowanej pracy jest model przepływu ciepła w jednorodnej warstewce materiału (chromu) poddanej działaniu zewnętrznego źródła ciepła (warunek brzegowy Neumanna) o zadanej zmiennej w czasie i na powierzchni intensywności q b (funkcja typu dzwonowego, co implikuje orientację obiektu we współrzędnych walcowych), na pozostałych powierzchniach umownie ograniczających rozpatrywany obszar przyjęto warunki adiabatyczne. Algorytm modelowania procesów cieplnych bazuje na jawnym schemacie MRS i w końcowej części pracy przedstawiono wyniki symulacji numerycznych.

Słowa kluczowe

EN

microscale heat transfer; laser pulse; finite difference method; numerical simulation

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 2
• Strony: 337--342
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Mochnacki B.

autor

Majchrzak E.

• Częstochowa University of Technology, Częstochowa, Poland,

Bibliografia

• Chen, J.K., Beraun, J.E., 2001, Numerical study of ultrashort laser pulse interactions with metal films, Numerical Heat Transfer, Part A, 40, 1-20
• Chen, G., Borca-Tasciuc, D., Yang, R.G., 2004, Nanoscale heat transfer, Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, X, 1-30.
• Majchrzak, E., Mochnacki, B., 2004, Numerical methods. Theory, numerical aspects, algorithms, Publication of the Silesian University of Technology, Gliwice, (in Polish).
• Majchrzak, E., Mochnacki, B., Greer, A.L., Suchy, J.S., 2009a, Numerical modeling of short pulse laser interactions with multi-layered metal films, Computer Modelling in Engineering and Sciences, 41 (2), 131 -146.
• Majchrzak, E., Mochnacki, B., Suchy, J.S., 2009b, Finite difference model of short-pulse laser interactions with thin metal film, Computer Methods in Materials Science, 9 (2), 316-322.
• Majchrzak, E., Mochnacki, B., Poteralska, J., 2009c, One-shot' identification of laser intensity in a process of thin metal film heating, Scientific Research of the Institute of Mathematics and Computer Science, Czestochowa University of Technology, 1(8), 131-136.
• Mochnacki, B., Suchy, J.S., 1995, Numerical methods in computations of foundry processes, Polish Foundrymen's Technical Association, Cracow.
• Mochnacki, B., Majchrzak, E., 2010, Numerical modeling of casting solidification using generalized finite difference method, Materials Science Forum, 638-642,2676-2681.
• Özicik, O., Tzou, D.Y., 1994, On the wave theory in heat conduction, Journal of Heat Transfer, 116, 526-535.
• Smith, A.N., Norris, P.M., 2003, Microscale heat transfer, Chapter 18 in: Heat Transfer Handbook, John Willey&Sons.
• Tamma, K.K., Zhou, X., 1998, Macroscale and microscale thermal transport and thermo-mechanical interactions: some noteworthy perspectives, Journal of Thermal Stresses, 405-449.