多增益段串接的液体激光系统特性研究

液体激光系统在抑制热畸变方面具有突出优势,能实现长时间稳定的高能激光输出.在液体激光系统中,常规双侧抽运的激光增益分布呈现边缘很强、中间较弱的特点,难以获得单横模激光输出,限制了光束质量.介绍了一种多增益段串接的液体激光系统,其抽运方式介于侧面抽运和端面抽运之间,然后对其增益分布和激光能量传输效率进行了数值模拟.数值模拟表明多增益段串接的液体激光系统能产生近似于高斯型增益分布,激光光束质量很高;同时该多增益段串接的液体激光系统的腔内传输损耗较小,激光能量转换效率可达30%以上.     

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。     

激光、激光技术 激光工作物质

TN244 2005053303 侧面抽运板状激光介质的热汇冷却=Cooling of a side- pumped laser slab by heat sink[刊,中]／王军荣(清华大学 航天航空学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室． 北京(100084)),闵敬春…∥光学学报．-2005,25(6)．- 829-934 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3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。 图5表2参14(于晓光)     

激光二极管抽运单/双增益模块的液体激光系统性能对比

单增益模块的无机液体激光体系在通过流动循环散热时,也导致抽运区域的增益介质在流动方向上产生了热梯度.而双增益模块的液体激光系统既能有效地散热,同时也避免了流动方向的热梯度,具有较好的性能.采用数值计算方法模拟了同样增益长度的单、双增益模块系统的热特性和输出激光的远场光斑分布,并进行了对比分析.结果表明双增益模块液体激光系统的性能明显优于单增益模块系统:远场光斑的峰值强度提高一个数量级,能量集中度和光束质量均得到明显的提高.     

高速气流中激光加热平板数值模拟与分析

 采用流固耦合方法,数值模拟了高速流场中激光作用下来流速度对平板温度分布的影响。结果表明:无激光辐照时,高速气流中平板有较高的气动生热平衡温度,且平板-气流之间的换热系数随来流速度增大而增大;在平板前沿换热系数增长最快,沿平板长度方向增速趋于平缓。分析了激光辐照时高速气流中激光加热平板的温度分布情况,考察了来流速度不同时,气动生热、散热和激光辐照对平板温度的影响,给出了激光辐照后的温升情况和温度分布,分析了在不同速度来流下,对流散热、摩擦生热和激光加热之间的竞争关系,结果表明,平板温度具体分布主要是加热过程竞争的结果。     

飞秒激光抽运探测热反射法对金属纳米薄膜超快非平衡传热的研究

随着微电子器件尺寸的减小、 工作频率的提高, 金属薄膜中电子与声子将处于非平衡状态, 这将导致微电子器件的热阻增大. 为准确地对这些微电子器件进行热管理, 电子-声子耦合系数的测量变得越来越重要. 本文采用飞秒激光抽运-探测热 反射法研究了不同厚度的金属纳米薄膜的非平衡传热过程. 通过抛物两步模型对实验数据进行拟合, 在拟合过程中引入电子温度与声子温度对反射率影响的比例关系, 从而优化了拟合结果. 通过对不同厚度的Ni膜与Al膜的电子-声子耦合系数的研究, 表明金属薄膜中的电子-声子耦合系数并不随薄膜厚度的改变发生变化. 实验结果还验证了探测光的反射率同时受到电子温度和声子温度的影响, 并通过数据分析量化了电子温度和声子温度对反射率的影响系数.     

液冷薄片构型激光器及其热管理技术

为了解决增益介质的热效应问题,提出了一种浸没式构型液冷激光器方案,该构型激光器在10Hz重复抽运频率下,获得了615mJ的能量输出,光光转换效率为21%,斜率效率为23%.基于流体力学和热力学原理,建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用软件模拟和有限元分析法,研究了在不同流速、泵浦功率条件下,整个增益区的温度场、速度场的分布特性;并基于增益区温度场的分布,分析了液冷条件下通过增益区的激光波前畸变特性.结果表明,增益介质的最大光程差为0.7666λ,冷却液最大光程差为-4.7331λ,说明该构型激光器有着良好的热管理性能.     

离子风强化平板对流传热的数值模拟

本文应用多物理场耦合计算软件COMSOL对离子风作用下强化平板对流换热的过程进行了数值模拟.研究了空气在高压电场下的对流换热现象,得到线-板电极模型相应的流场和温度场分布,并与文献中的实验结果进行了对比,验证了多物理场耦合数值方法的准确性。通过研究不同电压下传统风扇风冷、离子风和离子风与风扇共同作用下的对流换热系数变化规律,发现空气放电强化传热较传统方式有明显优势。还研究了不同极板距与板长比和不同板长情况下对流换热系数的变化规律.     

碳、氮原子内壳层光电离X射线激光的理论探讨

提出了分析碳、氮原子内壳层光电离X射线激光的解析模型,对C原子K壳层光电离X射线激光的增益进行了理论计算。采用随时间线性增加的X射线抽运速率推导出了激光增益系数随抽运速率的上升速率、原子浓度以衣时间变化的解析表达式,给出了峰值时间和峰值增益。在理论上定量地分析了产生X射线激光所需的激光条件和最佳参数的选取,数值模拟与理论计算的结果是一致的。另外,对N原子K壳层光电离X射线激光作了类似的分析。     

环形HYLTE喷管耦合段及光腔区流场的数值模拟

参考传热学相关理论,估算燃烧室的传热损耗分数及相应的平衡温度,确定了主喷管的入口参数设置。在此基础上,对环形HYLTE喷管的耦合段及光腔区流场进行3维的数值模拟,给出了F原子质量分数、静温、静压的空间分布,得到了光腔区各支谱线的小信号增益系数变化曲线。将计算结果与实验结果进行比对,光谱测量结果及移动光轴实验证实了计算模型的合理性。     

水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热系数

本文在均质表面的单个球缺形液滴换热模型和液滴通用尺度分布规律的基础上,结合梯度表面能材料表面的液滴分布和凝结换热特性,得到了一维水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式。在此基础上,研究了壁面过冷度、接触角梯度、工质物性等参数对梯度表面能材料表面滴状凝结换热性能的影响。结果表明:随着过冷度的增加和凝结工质汽化潜热的增大和表面张力的减小和接触角梯度的增大,平均表面凝结换热系数会增大。     

燃烧室出口辐射对气膜冷却传热影响研究

燃气轮机高温透平中包含对流/导热/辐射等复杂传热现象。本文依托高温流热固耦合实验台,提出燃烧室与透平联合计算的方法,采用数值模拟和实验对比的方式分析了平板气膜冷却的对流/导热/辐射传热特性。同时研究了不同燃气吸收系数以及不同进口辐射条件对于平板气膜冷却的表面温度分布的影响。结果表明:辐射传热是燃气轮机首级高温叶片传热特性的重要影响因素,辐射传热使得实验平板温度抬升50～70 K,燃烧室/透平联合计算方法有效地分析了燃烧室出口辐射强度对高温平板气膜冷却辐射传热的影响;高温燃气辐射特性对于平板温度分布具有明显影响。     

毛细管内薄液膜轮廓和传热特性研究

本文认为毛细管的相变传热机理为液膜的导热和表面蒸发;表面蒸发受蒸汽温度、汽液界面的温度以及汽液压力差的共同控制。汽液流动机理为流动受脱离压力梯度、毛细力梯度支配。汽液相互作用机理为存在由于蒸发导致的动量转移切应力和由于汽液流速不同产生的摩擦切应力。提出的物理模型中较为全面地考虑了毛细管内传热、汽液流动及其相互作用。对毛细管半径和传热功率对薄液膜轮廓和传热特性影响程度的计算结果表明,随着毛细管半径的减小、传热功率的增大,蒸发界面区的长度会有所减小,这是针对微小空间得出的不同于常规情况的结论。     

Thermal distribution calculation in diode pumped Nd:YAG laser rod by boundary element method

Boundary element method is used to calculate the temperature distribution by solving the heat transfer equation in a laser rod. Propagation of the pumping beam in the rod, that is assumed to be pumped longitudinally, results in a temperature gradient. Such a gradient produces radial variation of the refractive index and the rod behaves similar to a positive lens. Depending on the size of the pumping beam waist and absorption coefficient of the rod, a hot spot may form inside the rod.     

管内耦合换热的辐射热流特征及抽样模式比较

通过数值模拟,研究了圆管层流入口段辐射与对流祸合换热中的辐射热流分布特征,提出并比较了采用蒙特卡罗法计算辐射换热的两种抽样模式。结果表明,在圆管入口段的耦合换热中,同一截面的径向辐射热流密度与轴向辐射热流密度数量级相当,世分布形态差别很大。用蒙特卡罗方法计算辐射换热时,采取等权能束的抽样模式,可消除因抽样能束的能量不同而造成的计算误差、降低计算量、提高计算精度。     

板状激光振荡介质温度场和应力场的数值模拟

以非均匀内热源模型为基础,并考虑材料的导热系数和热膨胀系数的温度相关性,利用有限元方法,对板状激光振荡介质在不同功率和冷却强度下的温度和热应力分布进行了数值模拟及分析。根据计算结果提出了最大有效换热系数的概念,指出换热系数超过最大有效换热系数后,继续强化传热对减小高功率激光器的热效应已无明显效果。以此得出采用常规冷却技术所允许的最大泵浦加热功率。     

基于拟沸腾理论的超临界CO2管内传热恶化量纲分析

超临界流体广泛应用于工程技术领域,其流动传热特性对工程设计具有重要意义,但是,由于超临界流体的物理微观和宏观行为的机理尚不清晰,所以其异常的流动传热特性并未得到很好的解决.普遍认为超临界流体在分子尺度上可分为类气和类液两种不同的特性,直到最近通过实验在宏观上监测到超临界水类液和类气之间的转变,且这一过程与拟沸腾理论一致,使得问题逐渐变得清晰.本文基于拟沸腾理论对超临界CO2异常流动传热行为进行了研究,在假设类液和类气转换过程不均匀的情况下,从经典的量纲分析和亚临界过冷沸腾理论模型出发,提出了一个适用于超临界流体拟沸腾换热过程的分析方法.通过引入表征类气膜生长速度与流体主流平均流速之比π=(qw·ρ1)/(G·Δi·ρg)和表征近壁区类气膜温度梯度π13=(qw·βpc·di)/λg两个无量纲数,来表征拟沸腾如何导致传热恶化,解释了超临界CO2竖直向上加热流动过程中的异常换热特性,即较大的类气膜生长速度使近壁区快速聚集了较多的高温流体,而较大的类气膜温度梯度使类气膜覆盖在壁面.当核心的冷类液不能充分润湿热壁面时,传热恶化.新无量纲数较好的诠释了超临界流体拟沸腾诱导传热恶化机制,为超临界拟沸腾传热研究提供了理论依据.     

Optimum convective heat transfer coefficient for diode-pumped laser slabs

It is important for laser designers to study the characteristics of heat transfer from the laser crystal slab to the coolant in high-power DPSS laser operations. We have simulated and obtained the optimum heat transfer coefficient and coolant flow rate for our cavity design, in which the circulating coolant is maintained at a constant temperature. It has been determined that the coolant temperature and the convective heat transfer coefficient (h) are important parameters in the thermal analysis. The coefficient h is affected by the coolant flow rate, the physical properties of the laser slab and the coolant and the pumping cavity geometry. Using analytical heat transfer equation, for cooling water temperature of 300 K, the optimum flow rate for our cavity geometry is found to be 390 cm³/s, corresponding to h=5 W/cm² K.     

降膜结晶过程传热传质简化积分模型模拟计算

本文在对降膜结晶分离过程进行传热传质分析的基础上,建立了简化数学模型。文中按时间先后次序分成若干时间流股,并对每一流股按随体坐标自上而下对传热和传质方程进方积分,其中利用稳态充分发展的传热传质公式计算局部、即时的结晶量,进一步将不同时间流股所得结晶量叠加即得到结晶在空间和时间上的分布。文中将计算结果与所作的实验结果进行了比较,二者吻合较好。最后利用本文的计算模型进一步对广泛的影响因素进行了研究,获得一系列有益的结果。     

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。