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。     

氧碘化学激光器直线分段扩开型扩压器实验研究

 研究了不同几何外形参数对直线分段扩开型氧碘化学激光器(COIL)扩压器性能的影响,实验结果表明：光腔上下壁扩开全角8°时,选取4°超扩段扩散角可获得较好的压力恢复和隔离光腔流场的能力;超扩段增加2 mm竖隔板可降低光腔后部壁面静压,且截止反压提高约12%;在相同腔压下,10°截角唇口的截止反压比直角唇口和1/4圆弧唇口截止反压高出约7.6%;超扩段入口四壁增加人工粗糙带能明显改善光腔壁面静压的分布,并有效提高扩压器效率。     

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%。     

直排型DF/HF化学激光器扩压器喉道最佳长度实验研究

 为了研究扩压器喉道长度对直排型连续波DF/HF化学激光器起动特性的影响,建立了一套化学激光器气流通道双喷管小型实验模型。在无二次流的条件下,通过选用喉道长度不同的扩压器进行实验,分别得到对应的起动压力和工作压力,并将起动压力和工作压力的大小作为评价扩压器喉道长度优劣的依据。实验数据显示,对于该特定结构的直排型DF/HF激光器气流通道双喷管实验模型,扩压器喉道最佳长度为等效直径的17倍。     

化学激光器扩压器启动特性研究

为实现化学激光器的高速、低压尾气排入背压环境,需开展扩压器的启动特性研究。建立扩压器的仿真分析模型,根据激光器的实际工作需求,进行了扩压器总压11 kPa时的流场仿真,得到了不同背压情况下扩压器启动过程的流场,并提出扩压器逐级启动的工作方式。仿真结果显示,采用逐级启动的工作方式,扩压器以总压13 kPa启动直排入8 kPa的背景,流动稳定后将扩压器总压回调至11 kPa,实现了扩压器的正常启动。依托现有的激光器试车台进行了扩压器逐级启动的试验验证工作。试验结果表明,该种启动方式能够实现扩压器工作能力的提高。     

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。     

可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置

为了研究直排型扩压器的压力恢复能力，设计了一套可模拟不同背压环境的扩压器装置。在扩压器平直段后接入电动闸板阀，通过调节气流的流通面积模拟不同的背压环境。考虑到闸板阀前平直段对扩压器工作性能的影响，建立了扩压器流场的仿真分析模型，得到了加入闸板阀的扩压器装置的流场，进行了扩压器平直段的优化设计，并开展了验证试验。结果表明，仿真分析与实验结果符合得较好，平直段设计合理时，采用闸板阀模拟不同背压环境的方式是可行的，直排型扩压器的恢复压力测试结果稳定可靠。     

扩压叶栅角区马蹄涡的实验研究

本文给出了用三维激光多普勒测速技术对扩压叶栅叶片前缘马蹄涡的测量结果。实验结果表明：在０°和１０°两种攻角条件下均存在清晰的前缘马蹄涡;二次流的影响使得在靠近端壁壁面的区域实际入口气流角和叶片中径处不同,在不同的攻角条件下这种影响也不同;前缘马蹄涡的存在使得接近前缘的气流方向改变,气流角增大。     

可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置北大核心CSCD

为了研究直排型扩压器的压力恢复能力,设计了一套可模拟不同背压环境的扩压器装置。在扩压器平直段后接入电动闸板阀,通过调节气流的流通面积模拟不同的背压环境。考虑到闸板阀前平直段对扩压器工作性能的影响,建立了扩压器流场的仿真分析模型,得到了加入闸板阀的扩压器装置的流场,进行了扩压器平直段的优化设计,并开展了验证试验。结果表明,仿真分析与实验结果符合得较好,平直段设计合理时,采用闸板阀模拟不同背压环境的方式是可行的,直排型扩压器的恢复压力测试结果稳定可靠。     

引射式气帘对COIL流场参数的影响

 给出了氧碘化学激光器中，引射式气帘对激光器内各段压力与输出功率等参数的影响。研究结果表明：在COIL光腔中采用引射式气帘的作用方式，可以显著降低光腔段的总压损失，为激光器后的压力恢复系统减轻工作负荷；在高背压条件下，能够显著降低腔压，改善光腔静压的稳定性，提高激光器输出功率的稳定性。     

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。     

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。     

化学氧碘激光器的诊断

 将化学氧碘激光器(COIL)本身的诊断分述为流场特性诊断、气流混合诊断、增益介质诊断和光腔诊断, 系统讨论了各种诊断的要求, 并分别讨论了各种诊断的基本原理及方法。     

极高反射率氧碘激光腔镜研制

 报道了反射率大于99.9%的氧碘激光腔镜的研制工艺及其反射率测试结果。对该工艺制作的样品进行了激光损伤实验,实验结果表明能够满足目前COIL激光器的阈值要求。     

高能COIL偏振态的实验研究

 通过两块楔镜补充衰减和中性衰减片相结合的能量衰减方法，测得了功率密度为20 W/mm² COIL的偏振态。采用角反射器作为稳定腔折返装置，提高了激光能量分布的均匀性。激光光束分别以45°的入射角入射到两块楔镜上，被楔镜反射后，垂直通过中性衰减片，最后进入偏振态测试仪。实验结果表明：在腔内没有任何偏振选择器件和不加外部电磁场的情况下，采用折叠式稳定腔的横流双模块氧碘化学激光光束呈现部分偏振性质，而且在出光过程中偏振度逐渐降低。     

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.     

High throughput jet singlet oxygen generator for multi kilowatt SCOIL

A jet flow singlet oxygen generator (JSOG) capable of handling chlorine flows of nearly 1.5 mol s⁻¹ has been designed, developed, and tested. The generator is designed in a modular configuration taking into consideration the practical aspects of handling high throughput flows without catastrophic BHP carry over. While for such high flow rates a cross-flow configuration has been reported, the generator utilized in the present study is a counter flow configuration. A near vertical extraction of singlet oxygen is effected at the generator exit, followed by a 90° rotation of the flow forming a novel verti-horizontal COIL scheme. This allows the COIL to be operated with a vertical extraction SOG followed by the horizontal arrangement of subsequent COIL systems such as supersonic nozzle, cavity, supersonic diffuser, etc. This enables a more uniform weight distribution from point of view of mobile and other platform mounted systems, which is highly relevant for large scale systems. The present study discusses the design aspects of the jet singlet oxygen generator along with its test results for various operating ranges. Typically, for the intended design flow rates, the chlorine utilization and singlet oxygen yield have been observed to be ∼94% and ∼64%, respectively.