光腔与扩压器的一体化优化数值模拟

采用数值模拟方法对化学氧碘化学激光器光腔通道、超声速扩压器一体化方案的优化展开研究,对扩压器的角度、构型、背压等参数对扩压性能的影响以及对光腔内流场的影响进行计算和分析。研究结果表明:传统的直接扩散型以及平直段+扩散段型的超声速扩压器,抵抗背压影响的能力较弱,且光腔出口处静压急剧升高,影响了光腔内的流场;通过在平直段+扩散段型的超声速扩压器的平直段部分,插入数片楔形体,可以将扩压器的工作背压提升33%以上,且可以有效地隔绝扩压器对光腔内流场的不利影响,从而使光腔下游的逆压梯度大大降低;同时,由于缩短了扩压器的长度,扩压器的总压损失明显降低,冷流状态下的总压恢复系数达到0.484。     

压力恢复系统扩压器性能初步研究

 在气动和化学强激光器系统研制中，压力恢复系统扩压器设计技术研究具有重要的工程应用价值。介绍了常温空气介质情况下若干型式扩压器试验件的数值模拟和实验研究结果，针对扩压器扩张角大小、壁面之间加隔板和边界层吹气等因素对其扩压性能的影响作了对比分析。初步研究表明：激光器系统的光腔段和压力恢复系统扩压器采用较小扩张角，扩压器内腔宽度方向设置适当厚度的竖隔板，扩压器左右侧壁采用附面层吹气等措施能有效提高扩压器的扩压效率。而由于压力恢复系统扩压器宽高比很大，在扩压器内腔使用水平隔板对扩压效率没有明显提高，并且当扩压器扩张角度很小时，水平隔板反而降低了扩压器扩压效率。     

二次喉道扩压器对COIL的影响实验

 氧碘化学激光器分别采用二次喉道扩压器和8°扩压器时，对在不同阀门开度下的气流方向的壁面静压曲线和背压曲线，光轴壁面静压曲线，出口总压与上游压比值曲线，输出功率曲线进行了测量。对两种扩压器的数据进行了对比，结果表明：与8°扩压器相比，二次喉道扩压器能够有效隔离扩压器下游气流对光腔的干扰，显著减小捩区长度，并将转捩区控制在扩压器内。在激光器背压升高时，二次喉道扩压器的稳定性更强。     

二次喉道扩压器对COIL出光性能的影响

在氧碘化学激光器（cOIL）中，为使激光器气体顺利进入大气，激光器光腔后需要接扩压器对其进行增压，增压后的气体通过引射器或泵抽吸顺利排出。从流动机理看，超音速扩压段的主要功能是降低排气流速，增加排气静压。在扩压器中，超音速气流会通过一系列的激波恢复转变为亚音速。这一段激波恢复区称为伪激波区，伪激波区会随着扩压器背压的改变而前后移动。在背压较高时，激波区会向光腔方向移动，从而导致光腔中的气流产生扰动，影响激光器的正常输出。     

光腔与扩压器化学反应流场优化数值模拟

氧碘化学激光器(COIL)在化学反应条件下,由于光腔及扩压器的气流通道内存在残余化学反应放热,从而导致"热堵"现象发生,影响了扩压器的正常启动及光腔内超声速流场的流动品质。采用数值模拟方法对COIL光腔与超声速扩压器流道内的化学反应流场进行研究,对超声速扩压器插入段的长度、楔形体的数量级扩散段长度对化学反应流场的影响进行研究。数值模拟结果表明:通过优化插入段及楔形体长度、取消扩压器侧壁的半楔形体,改善了因化学反应放热对光腔及扩压器流场造成的不利影响。优化后,光腔内的流动不再受气流分离产生的斜激波的影响,扩压器二喉道内的分离现象消失,扩压器壁面的分离区减小,出口流动更加均匀,"热堵塞"现象消失。化学反应条件下的气流总压损失比冷流时提高约15%,光腔与扩压器的总压恢复系数为0.426,进出口的静压比为3.75,比优化前提高了约25%。     

热释放对COIL流场影响的实验

以往氧碘激光装置扩压段的设计是建立在常温定常气流条件下，没有考虑含能粒子的热释放，对于采用真空罐作为压力恢复系统的COIL装置而言，其性能优劣不能完全体现。因为真空罐可保证工作背压很低，光腔和超扩段内基本是超音速流动，静压很低，虽存在热释放造成气流总温的升高，但还可保持光腔和超扩段内静温较低，因此热释放对气流的负面效应没有完全体现。但在高背压条件下(如采用引射器作为压力恢复系统)，超扩段内气流速度减慢，热释放效应得以充分体现。     

喷管、光腔及压力恢复系统一体化设计

 对氧碘化学激光（COIL）系统的喷管和扩压器进行了3维数值模拟，对比分析了几种喷管和扩压器的设计方案，计算了从光腔入口到扩压器出口的气动力学过程。光腔内主副气流借助翼片辅助方法实现充分混合，翼片长0.77 cm，宽0.254 cm，满足气流混合要求。扩压器是1/4结构，即计算区域为入口截面高30 mm、宽60 mm的长方型，之后等截面延续500 mm，然后宽度仍然不变，高度以4°角扩张，延续700 mm，最终的出口截面高度为79 mm。采用空气入射，入口处（光腔出口）马赫数3.2，静压1 232 Pa，温度110 K；计算得到出口处总压13 300 Pa，总温300 K。结果表明：出口静压超出入口静压近10倍，该扩压器很好地起到了压力恢复的作用，而总压下降到1/4.5左右（从60 648 Pa到13 300 Pa），从而能够减轻后续的引射器的工作压力。利用高光腔压力设计可以减少一级引射器，达到整个系统小型化设计的目的。     

DF化学激光器扩压器流场仿真及优化

建立了DF化学激光器压力恢复系统扩压器的流场仿真模型,对扩压器流场结构进行了仿真分析。结果显示,扩压器超扩段长度为1310 mm时,激光器可工作压力为7.18 kPa。增加超扩段长度至1810 mm,激光器的可工作压力上升至8.25 kPa; 插入2片楔形叶片,激光器的可工作压力提升至8.52 kPa。适当增加超扩段长度和插入叶片的方式可在一定范围内提高激光器的工作压力,研究结果对于化学激光器扩压器的设计与优化具有重要的参考价值。     

可调低稠度扩压器对提升离心压缩机气动性能的数值研究

本文以某燃料电池车用高速小型离心压缩机为研究对象,采用商业软件ANSYS CFX,分析了70000~100000r/min不同转速下,从阻塞到喘振流量范围内,低稠度扩压器叶片安装角分别为10°、15°、20°、25°时,离心压缩机的级性能变化,并与无叶扩压器进行对比。数值结果显示,低稠度扩压器提高了静压恢复系数,扩压器内径向方向和叶高方向减速均匀,流动损失小。可调安装角的低稠度扩压器可在各转速下较无叶扩压器提高约8%的流量范围,并且能在各工况提高至少压缩机4%的压比及等熵效率。通过分析各工况下压缩机比转速、扩压器进口冲角和叶片安装角之间的关系,基于响应面模型给出进口冲角和叶片安装角相对比转速的多项式,为可调低稠度扩压器的实际应用提供研究基础。     

无缓冲气COIL扩压器流场数值模拟

 以无缓冲气化学氧碘激光器(COIL)实验器件的数据计算得到的混合喷管出口参数平均值作为光腔入口条件，对6种不同构型的扩压器从光腔入口至扩压器出口的流场进行了数值模拟，得出了各流场参数分布；对不同构型扩压器的流场特点、总压恢复性能进行了分析；研究了扩压器出口背压对流场参数的影响。结果表明：对于主流无缓冲气的COIL，等截面扩压器具有较好的压力恢复性能；增大扩压器出口背压可以使扩压器的压力恢复性能提高，然而，较高的背压使激波串向光腔方向移动，从而使光腔流场受到干扰，影响光腔的光束质量。     

COIL超扩段监测系统的研制

 为了研究光腔超扩段的几何外形和内部结构等物理参量，设计了一套实时数据采集和监测系统，硬件以研祥公司的PCI总线高性能数据采集卡（DAS）为核心，软件以VB6.0为开发平台。通过该系统，可以对超扩段内各点气流压力进行高精度测量，有利于光腔超扩段的优化设计。     

Supersonic diffuser for pressure recovery in SCOIL system

Classical supersonic chemical oxygen iodine laser (SCOIL) systems operate under a low total pressure of nearly 18 Torr (2400 Pa) with cavity pressure being in the range 3 Torr (400 Pa) and Mach number of 1.7. These systems handle high flow rates and hence an efficient supersonic diffuser (SD) is a critical first step towards an open-cycle operation, which may be followed by a multi-stage ejector system. The present study discusses the various aspects in the design of a supersonic diffuser for a twin 10 kW COIL module source which employs flow rates of 100 gs⁻¹ in each module. The results of computational studies based on 3-D, viscos compressible flow, k-ε turbulence formulation for the supersonic diffuser geometry have also been discussed. The experimental results from a single-module test of the supersonic diffuser show that a total recovered pressure of nearly 7 Torr is achieved at the diffuser exit.     

Characteristics of a magnetogasdynamic diffuser under different modes of electric current switching

This paper elaborates upon a previous investigation into the influence of external electric and magnetic fields on a flow through a supersonic diffuser. The aim of the present study is to correlate a change in the configuration of a shock wave emerging near the diffuser inlet at magnetohydrodynamic interaction with the amount of force and energy actions and with total pressure losses. For this purpose, the main parameters of the shock wave structure and the total pressure are measured at the diffuser outlet when the flow is subjected to magnetic and electric fields of various strengths at different routes of current passage. In the experiments, a shock tube with a supersonic nozzle is employed. The shock tube forms a flow behind the shock wave reflecting from the end of the tube, which terminates in the nozzle. The diffuser is located directly downstream of the nozzle. The investigation is carried out in xenon. The flow is subjected to external fields at the inlet of the diffuser. The shock wave structure is visualized by frame sweeping of Schlieren patterns of the flow. The total pressure is measured with a piezoelectric transducer located at the end of the channel. The results obtained make it possible to optimize the action on the flow in terms of power consumption and total pressure losses for a given design of the diffuser.     

大密封压比超音速自由旋气动窗口设计与试验研究

 介绍了横向超音速自由旋气动窗口设计方法,分析了单级气动窗口难以实现大密封压比的原因。针对气动窗口扩压器入口气动参数分布特点,提出了一种扩压器带端壁吹气的气动窗口设计方案并进行了试验验证,气动窗口密封压比达到了85。结果表明：扩压器入口端壁吹气是一种有效提高气动窗口密封压比的技术措施,内端壁吹气对密封压比影响较大,外端壁吹气对密封压比影响较小。     

竖直隔板对COIL超扩段流场影响实验研究

 通过一系列对比实验比较了隔板对气流转捩点、总压损失、光腔静压的影响，并通过分析阐述了竖直隔板对扩压器内部气流参数产生影响的原因。隔板可以增加超音速区域的长度，并能增加光腔压力分布的稳定性，减小总压损失，增加压力恢复系数；隔板厚度对光腔静压的影响较大，需严格控制隔板厚度以避免正激波的产生。     

压力恢复系统超声速扩散段三维流场数值模拟

 采用数值模拟的手段，对压力恢复系统超声速扩散段三维流场进行研究。数值模拟使用LU分解法和NND差分格式求解全Navier-Stokes 方程，并加入了湍流模型。对得到的流场结构进行了分析，为下一步工作打下了基础。