COIL超声速流动的水汽凝结效应数值模拟

 在开发的化学氧碘激光器3维化学反应流程序中增设水汽凝结功能，模拟了以氦气和氮气作稀释气体条件下，基于RADICL装置喷管中含水汽凝结的流动。模拟结果给出了水汽凝结形成的5种尺寸液滴的数密度分布及流场各物理量分布，比较了有无水汽凝结时气流的压力、温度、增益分布的变化。模拟结果发现，凝结使气流温度在靠近喉部的下游升高，增益峰值增高。     

高马赫数高压力的氧碘化学激光器阵列喷管的数值模拟

 采用计算流体力学方法,研究了以氮气为载气的新型高总压氧碘化学激光器(COIL)阵列喷管。模拟结果表明:采用高马赫数的氮气流引射低马赫数的氧气流,可以提高光腔出口的驻点压力;高超声速的氮气与声速的氧气混合较慢,在喷管出口安装翼片有利于增强气流混合;喷管出口安装大翼片,翼片诱导的横向涡可以到达氮喷管的中心,光腔内混合比较充分。通过采用10组分21反应的化学反应模型,模拟了阵列喷管内多组分气体的混合和化学反应过程。模拟结果表明：光腔内生成了激发态碘原子和基态碘原子,光腔中获得了正增益,而且光腔出口的总压也由2.6 kPa提升至28.9 kPa。     

流量大小对混合流场特性等的影响

 在主、副气流各组份的流量比不变的情况下，改变输入氧碘化学激光器（COIL）光腔总气流流量，数值模拟给出了COIL拉伐尔喷管主、副气流混合状况和各物理量的分布等，通过对这些结果进行对比分析得出：输入COIL光腔总气流流量增加三倍，氧碘气流的混合状况稍稍变差，但Mach数和密度等的分布和变化规律基本不变。     

用FLUENT软件计算化学氧碘激光流场

用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT，数值研究化学氧碘激光喷管形线，碘喷孔位置， 副流入口压力， O2(1Δ)初始产额，水蒸汽含量以及稀释气体对平均小信号增益系数沿流动方向分布的影响；并对大连化学物理研究所超音速化学氧碘激光的两次实验进行数值模拟，计算结果显示平均小信号增益系数与实验测试的摩尔功率趋势一致。     

碘喷孔位置的变化对激光性能的影响

 在主、副气流流量不变的情况下,仅改变氧碘化学激光器中碘喷孔的位置,数值模拟了其混合气体流场特性和小信号增益分布等的变化。计算结果表明,碘喷孔在喷管叶片上的位置沿气流方向往下游移动,混合状况变差,光腔中小信号增益降低,输出功率减小,饱和光强沿气流方向的衰减变得平缓。     

碘喷孔位置的变化对激光性能的影响

在主、副气流流量不变的情况下,仅改变氧碘化学激光器中碘喷孔的位置,数值模拟了其混合气体流场特性和小信号增益分布等的变化.计算结果表明,碘喷孔在喷管叶片上的位置沿气流方向往下游移动,混合状况变差,光腔中小信号增益降低,输出功率减小,饱和光强沿气流方向的衰减变得平缓.     

副气流中He流量变化对流场混合状态的影响*

在保持主气流流量和副气流中I2的流量不变的条件下,改变副气流中He的流量,数值模拟氧碘化学激光器拉伐尔喷管内的流场混合特性.结果表明,随着副气流中He的流量的增加,副气流垂直穿透主气流的深度逐渐变大,主、副气流混合状态也逐渐变好,直至氧碘气流混合均匀.     

副气流中He流量变化对流场混合状态的影响

 在保持主气流流量和副气流中I₂的流量不变的条件下,改变副气流中He的流量,数值模拟氧碘化学激光器拉伐尔喷管内的流场混合特性。结果表明,随着副气流中He的流量的增加,副气流垂直穿透主气流的深度逐渐变大,主、副气流混合状态也逐渐变好,直至氧碘气流混合均匀。     

VICON程序模拟氧碘化学激光器3维喷管流场的可行性探讨

 用VICON程序对化学氧碘激光器(COIL)喷管冷流场进行了3维模拟，得出的计算区几何较准确地反映了模拟装置的几何变化。主气流方向和副气流方向的分点数反映出了此2维平面内的气动特性，对不同流量的模拟结果对比分析得出穿透过度与穿透不够一样，致使主副气流混合不好。对带化学反应的情况进行了模拟，显现出副气流从喷孔出来后穿进主气流的马蹄形结构的变化过程，这些说明VICON程序可用来模拟研究COIL喷管流场特性。     

流量大小对混合流场特性等的影响

在主、副气流各组份的流量比不变的情况下,改变输入氧碘化学激光器(COIL)光腔总气流流量,数值模拟给出了COIL拉伐尔喷管主、副气流混合状况和各物理量的分布等,通过对这些结果进行对比分析得出输入COIL光腔总气流流量增加三倍,氧碘气流的混合状况稍稍变差,但Mach数和密度等的分布和变化规律基本不变.     

COIL基于小信号增益系数的最佳流量配比选择

 氧碘化学激光器(COIL)的混合喷管内发生的是气体动力学、化学反应动力学以及光学等相互耦合的复杂过程,每个过程都对COIL性能有着至关重要的影响。利用3维CFD技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程,结合10种组分和21个基元反应的化学反应模型,对简化后的化学氧碘激光RADICL模型在亚声速段横向射流情况下,不同的主副流流量配比对小信号增益系数的影响情况进行了比较与分析。结果证明:过高或过低的碘分子浓度均不利于产生合理的小信号增益系数;存在最佳流量配比使小信号增益系数得到显著提高且分布均匀。     

化学激光器燃烧室两步反应法的实验研究

 在环柱型增益发生器实验系统燃烧室的设计中,将主稀释剂He从两个不同的区域注入燃烧室,其中一部分与D2预混以后通过D2喷注孔注入,另一部分通过主喷管叶片后端的后向喷注孔注入。讨论了不同区域的主稀释剂流量的变化对激光器特性的影响。实验结果表明：后He流量改变时,激光器的功率变化及点火稳定性等明显优于前He流量改变的情况。若要增加主稀释剂比例,应优先考虑调整后He。     

Numerical analysis of spatial evolution of the small signal gain in a chemical oxygen–iodine laser operating without primary buffer gas

A chemical oxygen–iodine laser (COIL) that operates without primary buffer gas has become a new way of facilitating the compact integration of laser systems. To clarify the properties of spatial gain distribution, three-dimensional (3-D) computational fluid dynamics (CFD) technology was used to study the mixing and reactive flow in a COIL nozzle with an interleaving jet configuration in the supersonic section. The results show that the molecular iodine fraction in the secondary flow has a notable effect on the spatial distribution of the small signal gain. The rich iodine condition produces some negative gain regions along the jet trajectory, while the lean iodine condition slows down the development of the gain in the streamwise direction. It is also found that the new configuration of an interleaving jet helps form a reasonable gain field under appropriate operation conditions.     

无稀释气立式氧碘化学激光器的设计与实验

 分析了氧碘化学激光器（COIL）在无稀释气条件下工作所带来的一系列问题和对其性能的影响，并提出了相应的解决方法，进而对COIL结构和相关参数进行了有针对性的设计和实验研究。在氯气流量为117.6 mmol/s时,平均输出功率2.25 kW，化学效率达到21.1%，比功率0.22 J/g；分别以氦气和氮气为稀释气，对COIL进行了参数和实验数据比较。     

流量配比对Coil增益分布影响的数值研究

利用三维CFD技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程,对简化后的化学氧碘激光RADICL模型进行数值模拟与分析,结合10种组分和21个基元反应的化学反应模型,对COIL亚声速段横向射流情况下,不同的主副流流量配比对化学氧碘激光器性能的影响进行分析与比较.结果证明,过高或过低的碘分子浓度状态均不利于合理、可观的小信号增益系数产生.存在一个最佳流量配比范围,与之对应的工作状态下,COIL的小信号增益系数会得到显著提高.     

基于混合发展的超声速段射流式COIL的数值优化

应用CFD技术,发展三维多组分化学反应流计算程序,对采用超声速段射流方式的氧碘化学激光进行数值模拟,考察分解率与增益等参考变量的详细三维分布.计算结果说明,超声速区域的高速流动以及混合效率降低使COIL无法在有限空间内完成整个运转流程;提高碘含量以加快反应速度的手段导致主流无法提供足够的载能介质,无法形成合理增益.在不改变喷管长度的前提下,提出主流无载气方式的探索,结果证明了超声速段射流方式采用无载气主流配置的可行性与优势,通过减小气流速度保证混合与化学反应在光腔上游完成,在合理的流量配比下光腔位置处可得到1.3%cm^-1的增益峰值.     

Characteristics of the gain medium for an ejector COIL with supersonic nozzles for the driver buffer gas

The use of supersonic nozzles for the driver nitrogen in an ejector nozzle bank (ENB) for chemical-oxygen iodine laser (COIL) resulted in the elimination of the chocking effect for the primary oxygen flow and formation of a low temperature gain medium. The ENB generates a supersonic gain medium with a Mach number greater than 2.2, and a temperature less than 200 K. The potential recovered pressure was 90 Torr with a small signal gain greater than 10^-2 cm^-1. With a 5 cm gain length for this nozzle, the output power was 1.2 kW with a chemical efficiency of 23.4%. A strong decay of I(²P_1/2) emission, (concentration), along the gain medium flow was observed . PACS  42.55.Ks