Numerical simulation of thermal processes proceeding in a multi-layered film subjected to ultrafast laser heating

• Autorzy: Majchrzak E. , Mochnacki B. , Suchy J. S.

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna procesów cieplnych zachodzących w wielowarstwowych mikroobszarach poddanych działaniu ultrakrótkiego impulsu laserowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper, the mathematical model, numerical algorithm and examples of computations concerning thermal processes proceeding in a multi-layered thin film subjected to an ultrafast laser pulse are discussed. The equations describing a course of the analysed process correspond to the dual-phase-lag model and contain both the relaxation time tau q and additionally the thermalization time tau T. At the stage of numerical simulation, the finite difference method has been used. The algorithm is based on an artificial decomposition of the domain considered, while common thermal interactions between successive layers are taken into account using conditions of heat flux and temperature continuity at points corresponding to internal boundaries (1D task has been considered).

PL

W pracy przedstawiono model matematyczny, algorytm numeryczny i przykłady symulacji dotyczących przebiegu procesów cieplnych w wielowarstwowym mikroobszarze nagrzewanym ultraszybkim impulsem generowanym przez laser. Równanie opisujące przebieg procesu odpowiada modelowi z dwoma opóźnieniami wynikającymi z czasu relaksacji i czasu termalizacji. Na etapie obliczeń numerycznych wykorzystano metodę różnic skończonych. Algorytm bazuje na sztucznej dekompozycji obszaru wielowarstwowego, przy czym wzajemne oddziaływania między warstwami uwzględniono poprzez założenie ciągłości strumienia ciepła i pola temperatury na powierzchniach kontaktu. Biorąc pod uwagę geometrię obszaru, rozpatrywano zadanie jednowymiarowe.

Słowa kluczowe

EN

microscale heat transfer; thin films; laser pulse; numerical modelling

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 47 nr 2
• Strony: 383--396
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Majchrzak E.

autor

Mochnacki B.

autor

Suchy J. S.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland,

Bibliografia

• 1. Al-Nimr M.A., 1997, Heat transfer mechanisms during short duration laser heating of thin metal films, International Journal of Thermophysics, 18, 5, 1257-1268
• 2. Chen G., Borca-Tasciuc D., Yang R.G., 2004, Nanoscale heat transfer, In: Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Edited by H.S. Nalwa, Vol. X
• 3. 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
• 4. Dai W., Nassar R., 2000, A domain decomposition method for solving threedimensional heat transport equations in a double-layered thin film with microscale thickness, Numerical Heat Transfer, Part A, 38, 243-255
• 5. Dai W., Nassar R., 2001a, A compact finite difference scheme for solving a one-dimensional heat transport equation at the microscale, Journal of Computational and Applied Mathematics, 132, 431-441
• 6. Dai W., Nassar R., 2001b, A finite difference scheme for solving a threedimensional heat transport equation in a thin film with microscale thickness, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 50, 1665-1680
• 7. Escobar R.A., Ghau S.S., Jhon M.S., Amon C.H., 2006, Multi-length and time scale thermal transport using the lattice Boltzmann method with application to electronic cooling, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49, 97-107
• 8. Kaba I.K., Dai W., 2005, A stable three-level finite difference scheme for solving the parabolic two-step model in a 3D micro-sphere heated by ultrashortpulsed lasers, Journal of Computational and Applied Mathematics, 181, 125-147
• 9. Majchrzak E., Mochnacki B., 2004, Numerical Methods. Theoretical Bases, Practical Aspects and Algorithms, Publication of the Silesian University of Technology, Gliwice [in Polish]
• 10. Mochnacki B., Suchy J.S., 1995, Numerical Methods in Computations of Foundry Processes, Polish Foundrymen’s Technical Association, Cracow
• 11. ¨ Ozis¸ik M.N., Tzou D.Y., 1994, On the wave theory in heat conduction, Journal of Heat Transfer, 116, 526-535
• 12. Smith A.N., Norris P.M., 2003, Microscale heat transfer, Chapter 18 in: Heat Transfer Handbook, John Wiley and Sons
• 13. Tamma K.K., Zhou X., 1998, Macroscale and microscale thermal transport and thermo-mechanical interactions: some noteworthy perspectives, Journal of Thermal Stresses, 21, 405-449
• 14. Tang D.W., Araki N., 1999, Wavy, wavelike, diffusive thermal responses of finite rigid slabs to high-speed heating of laser-pulses, International Journal of Heat and Mass Transfer, 42, 855-860
• 15. Tzou D.Y., 1995, A unified field approach for heat conduction from micro- to macro-scales, Journal of Heat Transfer, 117, 8-16
• 16. Tzou D.Y., Chiu K.S., 2001, Temperature-dependent thermal lagging in ultrafast laser heating, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, 1725-1734