侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

超临界CO_2在三叶管内换热特性研究

建立了内径为2 mm的三叶管三维模型,使用ANSYS Fluent软件对超临界二氧化碳在三叶管内的对流换热特性进行了研究,分析了流动方向、进口雷诺数、壁面热流密度和冷却压力等因素对局部换热系数的影响,结果表明:在本文研究的范围内,流动方向对超临界二氧化碳在三叶管内局部换热系数的影响较小,可以忽略,进口雷诺数、壁面热流密度和冷却压力对局部换热系数的影响较大;二氧化碳进口雷诺数越高,对应的局部对流换热系数也越高,壁面热流密度的大小对局部换热系数出现峰值位置有较大影响,对其大小影响不大;超临界二氧化碳冷却压力越高,对应的局部对流换热系数的峰值也越大;局部对流换热系数峰值所对应的温度只与冷却压力下的临界温度有关。     

超临界R134a水平圆管内冷却换热模拟研究

采用增强壁面函数的标准k-ε模型对超临界R134a水平圆管内冷却换热进行了模拟研究.分析了管内不同截面上流体温度、速度和湍动能的分布情况及对应关系。研究了质量流量和浮升力对换热系数的影响。结果表明,流体速度随着温度的降低而减小,并且最大速度处对应着最高温度和最小湍动能.换热系数随着质量流量的增加而增大,其峰值出现在准临界温度附近。浮升力在似液体区的影响较大,对流体换热起到增强的效果。     

CFETR超临界CO2锂铅双冷包层第一壁热工水力学分析

基于CFETR超临界CO2锂铅双冷包层基本结构,对超临界二氧化碳冷却第一壁方案进行了热工水力学分析。采用计算流体力学(CFD)的方法,通过限定第一壁最高温度,分析了流道间距、壁面粗糙度、流道尺寸和内壁面热流密度对驱动功率、出口温度和内壁面温度的影响,并与氦冷方案进行了比较,为后续包层结构设计提供参考。结果表明,减小流道间距、增大壁面粗糙度可以获得更好的冷却性能。增大流道极向尺寸可以有效降低驱动功率,而增大流道径向尺寸可以有效降低内壁面温度。考虑第一壁与增殖区换热后,内壁面最高温度会有较大提升。此外,超临界二氧化碳冷却第一壁所需的驱动功率小于氦气的驱动功率。     

高重复频率中压氮气风冷固体激光器

一般风冷无法对高重复频率的光泵浦实施有效冷却;水冷却液虽换热系数高,但体积庞杂,水冷液产生的锈蚀和光耗还将引起激光器稳定性极大下降.本文的分析表明:激光棒表面平均温度t_(wim)与环境大气温度t_a之差主要取决于激光棒单位长度上耗散的热功率q_l、冷却质密度ρ及流速w.     

叶顶和外环喷气对叶尖区域换热特性的影响

以GE-E3高压涡轮的第一级动叶为研究对象,采用数值求解RANS方程方法研究叶顶冷气喷射、外环冷气及两者同时冷却对叶顶和外环的换热特性的影响。结果表明：相较于无冷却的凹槽叶尖,外环和叶顶两者同时冷气喷射使得凹槽底部平均换热系数的峰值点沿轴向后移至15% C_ax位置处,使得凹槽的槽底最大换热系数降低17.2%。单一外环喷气对降低平顶叶尖的叶顶和外环的换热系数效果最佳,但是平顶叶尖的叶顶区域和外环区域的热负荷的降低依赖于不同的冷却方式。而叶顶和外环两者同时喷气的冷却方式对凹槽叶尖的冷却最为稳定,对抑制叶顶和外环两区域的对流换热系数和热载荷方面均表现最好。     

薄片激光器喷流冷却技术

为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果,从湍流换热理论出发,定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数:面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件,建立喷流冷却的物理模型,对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置,并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明,喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响,仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。     

喷淋高度对氨喷雾相变冷却特性的影响

喷雾相变冷却具有高热流密度的换热能力,本文通过建立喷雾相变冷却实验系统,以液氨为工质,使用单喷嘴,对冷却面为2.5 cm×1.2 cm的热沉进行了实验研究。结果表明:以氨为工质的喷雾相变冷却具有较高的换热能力;在热流密度达到400W/cm~2时,热沉表面的温度在15℃以下;在实验工况不变时,随喷嘴喷淋高度的降低,临界热流密度值(CHF)增大,最大换热系数可达95000 W/(m~2·K)。     

超临界CO_2在内螺纹管内换热特性研究

建立了外径为3 mm的内螺纹管三维实体模型,使用Fluent软件研究了在不同的进口雷诺数和操作压力下超临界二氧化碳在水平内螺纹管内的流动与传热特性。研究表明:不同截面局部换热系数和相同流体局部平均温度下的局部换热系数均随着冷却压力的增大而增大;相同流体局部平均温度下的局部换热系数随着进口雷诺数的增加而增大;不同冷却压力和进口雷诺数下,流体局部平均温度越接近超临界二氧化碳的临界点温度,局部换热系数也就越大。     

纳米流体强化冷端传热对热电发电效率的影响

热电发电系统效率除了与热电材料物性相关之外,提高热电器件两端温差也是提升转换效率的重要途径。因而,提高冷端的换热能力,降低冷端温度是提高热电发电系统效率的重要途径。纳米流体作为一种新型换热介质,能够显著地改善液体工质的传热性能,具有均匀、稳定、导热系数高等特点。本文研究了水冷却和纳米流体冷却两种情况下热电发电系统输出特性,发现纳米流体冷却大幅提高了系统的输出功率和转换效率,并研究了流速对热电发电系统输出特性的影响。     

Thermal and optical properties of diode side-pumped solid state laser rods

Thermal heating is a major limiting factor in scaling the average power of a solid-state laser. The relationship between the heat intensity in a laser slab and the heat transfer coefficient has been studied by considering the variations of thermal conductivity and expansion coefficient of the laser slab with temperature. In this paper, the laser rod has been studied by including its thermal, stress and optical aberration effects. It is pointed out that different heat transfer coefficients should be adopted according to different heat intensities inside the laser rod in order to obtain better pumping input as well as to optimize the cooling effects.     

水力入口段对流体直接冷却片状激光器热效应的影响

流体直接冷却Nd:YAG片状激光器系统中,流体流经增益介质时存在水力入口段,使用Ansys仿真软件,讨论了不同水力入口段距离对流体热交换系数的影响,并在此基础上,将水力入口段距离进行分类,分析了水力入口段距离对热应力以及光束传输的影响;模拟了不同冷却液的冷却效果;研究了流体处于不同流动状态时,水力入口段距离与流体热交换系数的关系,以及水力入口段距离与增益介质温度分布的关系;得到了这种高功率激光器冷却系统中,最佳水力入口段距离的范围。结果表明:流体流经增益介质时,不同的水力入口段距离只是规律性地移动了流体的热交换系数曲线,因此,避开流体热交换系数曲线中变化较大的区域,即0～2.25 mm范围内的水力入口段距离,可实现介质内更小的温度梯度,同时降低热应力以及波前畸变,从而实现更好的冷却效果。     

Heat transfer for diode side-pumped YAG slabs

Thermal heating is a major limiting factor in scaling the average power of a solid-state laser. The heat transfer coefficient is affected by the coolant flow rate, the physical properties of the laser slab and the coolant, and the pumping cavity geometry. The relationship between the heating effects and the heat transfer coefficient has been studied by considering the variations of thermal conductivity and expansion coefficient of the laser slab with temperature. It is concluded that different heat transfer coefficients should be adopted according to different heat intensities inside the laser slabs in order to obtain better pumping input as well as to optimize the cooling effects.     

激光二极管阵列端面抽运复合棒状激光器热效应的有限元法分析

建立了激光二极管阵列(LDA)端面抽运棒状激光介质的数值模型.考虑到介质与空气的对流换热和介质的热力学参数随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限元法得出了复合棒状介质和未复合棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的时空分布,分析了温度、热应力和应变随抽运功率、换热系数和时间的变化规律.结果表明,复合棒的最高温度、最大张应力和最大轴向应变的位置与未复合棒不同,并且数值分别为未复合棒的73%,60%和33%.由此可知,利用复合棒可极大地减小热效应的影响.理论分析结果可为LDA抽运固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考.     

二维板状激光介质热效应的理论分析

利用二维模型,对固体激光器中侧面双向泵浦板状激光介质的热效应进行了理论分析,重点研究了介质热物性的温度依存性对其最高温度和最大应力的影响,给出了一种计算介质内最高温度和最大应力的简便方法,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明,不考虑介质热物性随温度的变化,将导致计算结果特别是热应力结果偏小。考虑介质热物性随温度的变化时,应用本文提出的简便方法计算得到的最高温度和最大应力与数值模拟结果基本吻合.     

CONTINUOUS-WAVE LASER OSCILLATION OF Yb:FAP CRYSTALS AT A WAVELENGTH OF 1043nm

A continuous-wave laser oscillation was demonstrated with a Yb-doped fluorapatite (FAP) crystal pumped with a 905 nm Ti:sapphire laser. The output characteristics for different output couplers were investigated. A maximum power of 67mW at a 1043nm wavelength was obtained with 10% output coupler, pumped by a Ti:sapphire laser with 910mW power. This corresponds to a slope efficiency of 26.5%.     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

基于侧面热对流的LD泵浦Yb:KGd(WO4)2热透镜效应研究

基于对LD端面泵浦Yb∶KGW激光晶体工作特点的分析,建立了符合条件的激光晶体热模型.考虑晶体侧面的热对流,运用MATLAB和FORTRAN软件,通过有限差分法求解各向异性介质热传导方程,得到了该晶体的温度场分布、端面热形变分布和不同泵浦功率下的热焦距.结果表明:在泵浦功率为14 W时,泵浦面最高温度达272.8℃、最...     

LD端面泵浦变热导率方形Yb∶YAG微片晶体热效应

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题,运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性,建立符合实际工作情况的热模型,构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数,并结合牛顿法求解热传导方程,得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明:使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 m的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为431 mm3进行泵浦,将晶体的热导率视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。