Üç Faz Gecikmeli ve Green–Naghdi modelleri ile hareketli ısı kaynakları altında gayriyerel termoelastik gözenekli ortamlarda dalga yayılımı ve termal davranış

Hareket halindeki ısı

Lazer kesim, metal 3B baskı ve uzay araçlarında termal koruma gibi modern teknolojiler, yoğun ve hızlı hareket eden bir ısı kaynağının bir katmanın üzerinden geçtiğinde katı malzemelerin nasıl tepki verdiğine dayanır. Bu malzemelerin birçoğu daha hafif ve ısıya karşı daha dayanıklı olmalarını sağlayan küçük gözeneklerle doludur, ancak bu aynı zamanda davranışlarının tahmin edilmesini daha karmaşık hale getirir. Bu makale, yoğun bir ısı kaynağının yüzey boyunca süpürülmesi durumunda ısı ve mekanik dalgaların bu tür gözenekli katılarda nasıl yayıldığını araştırıyor ve yüksek sıcaklıktaki bileşenlerin daha güvenli ve verimli tasarımı için yol gösteriyor.

Bu malzemeleri özel kılan nedir

Yazarlar, ısıtıldığında deform olan ve sonrasında eski haline dönebilen termoelastik ve gözenekli bir katıya odaklanıyor. Katı, yüzeyin derinlerine doğru uzanan yarıuzay olarak ele alınıyor; hareketli iç ısı kaynağı ise örneğin üstte kayan bir lazer lekesini temsil ediyor. Malzeme küçük boşluklarla dolu olduğundan davranışı yalnızca sıcaklık ve gerilme ile değil, aynı zamanda boşluk hacminin derinlikle nasıl değiştiğiyle de ilişkili. Çalışma ayrıca, katı içindeki her noktanın komşularının etkisini küçük bir mesafe içinde hissettiği gayriyerel etkileri de kapsıyor; bu fikir mikro ve nano ölçekli yapılar için önem kazanıyor.

Isı ve dalgaları tanımlamanın iki yolu

Isının nasıl yayıldığını ve deformasyon dalgalarının nasıl ilerlediğini tanımlamak için araştırmacılar iki gelişmiş ısı iletimi modelini karşılaştırıyor. Birisi üç faz gecikme modeli; bu model sıcaklık değişimleri, ısı akışı ve termal yük altındaki malzemenin yer değiştirmesi arasındaki gecikmelere izin veriyor. Diğeri ise Green–Naghdi tip III teorisi; bu teori ısı transferini anlık düzeltme yerine dalga benzeri bir süreç olarak ele alıyor. Normal mod analizi olarak bilinen matematiksel bir yaklaşımla ekip, sıcaklık, yer değiştirme, gerilme ve gözenek hacmi değişiminin derinlik ve zaman fonksiyonları için kesin ifadeler elde ediyor.

Uzun menzil etkileri ve hareket eden ısının rolü

Sayısal sonuçlar, gayriyerel etkileşimlerin ve hareketli ısı kaynağının gözenekli katının tepkisini nasıl şekillendirdiğini gösteriyor. Gayriyerel etkiler güçlü olduğunda, yer değiştirme ve gerilme dalgalarının genlikleri azalıyor ve keskin zirveler düzeliyor. Bu durum, uzun menzilli etkileşimlerin yükleri daha düzgün yaymaya yardımcı olarak mekanik kararlılığı iyileştirdiğini düşündürüyor. Aynı zamanda gözenekli yapı, sıcaklık ve gözenek hacminin derinlikle nasıl değiştiğini esasen kontrol ediyor; gayriyerellik dahil edildiğinde osilasyonlu fakat daha düzenli desenler ortaya çıkıyor. Hareketli ısı kaynağı ise ısıyı yeniden dağıtarak yüzeye yakın yer değiştirmeleri azaltıyor ve gerilmelerin yoğunlaşma biçimini değiştiriyor.

Termal gecikme modellerinin karşılaştırılması

Üç faz gecikme ve Green–Naghdi tip III tanımları aynı probleme uygulandığında, yazarlar öngörülen davranışta belirgin farklılıkları vurguluyor. Üç faz gecikme modeli genellikle daha güçlü sönümlenmiş bir tepki veriyor; ısıtılan sınır yakınında sıcaklık ve mekanik dalgalarda kayda değer gecikmeler gözleniyor. Buna karşılık Green–Naghdi tip III teorisi farklı dalga formları ve gerilme seviyeleri üretiyor; bu da ısının yayılımına ilişkin farklı bakış açısını yansıtıyor. Her durumda, ısı kaynağının hareketi çoğu fiziksel niceliğin genel büyüklüklerini azaltıyor ve kesme ile normal gerilmelerin derinlikle gelişimini değiştiriyor.

Bu bulgular neden önemli

Basitçe söylemek gerekirse çalışma, hem malzemenin gözenekli doğasının hem de ince uzun menzilli etkilerin, hareketli termal yük altında nasıl ısındığını ve deforme olduğunu büyük ölçüde etkileyebileceğini gösteriyor. İki önde gelen ısı iletimi matematiksel tanımını karşılaştırarak, hangi yaklaşımın ne zaman daha uygun olabileceğini ve bunların öngörülen sıcaklık, gerilme ve gözenek davranışını nasıl değiştirdiğini netleştiriyor. Bu içgörüler, ısı kaynaklı deformasyonun kontrolünün performans ve güvenlik için kritik olduğu lazer işlemleri, eklemeli üretim ve termal bariyer sistemleri gibi uygulamalarda mühendislerin daha hafif ve daha güvenilir malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir.

Atıf: Othman, M.I.A., Said, S.M. & Gamal, E.M. Wave propagation and thermal behavior in nonlocal thermoelastic porous media under moving heat sources with three-phase-lag and Green–Naghdi models. Sci Rep 16, 15269 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50607-x

Anahtar kelimeler: gözenekli termoelastisite, hareketli ısı kaynağı, gayriyerel elastisite, termal dalga yayılımı, üç faz gecikme modeli