主流无载气N_2-氧碘化学激光配气方式的数值优化

针对主流无载气、副流以氮气为载气的氧碘化学激光(COIL),应用求解3维多组分化学反应流方程的数值方法,对流场和物理化学的耦合过程进行细致研究,对副流载气变化带来的问题及性能提升的手段、特别是合理的配气方式进行深入分析。结果表明:传统的在亚声速段进行喷流的配气方式不适用于主流无载气N2-COIL系统,必须采用超声速段射流方式;合理的流量配比条件下,超声速段射流方式COIL光腔位置处增益可达1.5%cm-1;N2-COIL流场边界层厚度明显减小,拓宽了增益的有效分布区域。     

亚声速段横向射流对Coil性能影响的数值研究

在化学氧碘激光的混合喷管内发生的是一个气体动力学、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,对COIL的气动和增益特性进行探讨.在不同的射流穿透条件下,计算COIL混合喷管中的混合与化学反应过程,发现穿透深度决定了增益的分布特性以及过度穿透条件下的非定常结构.     

亚声速段横向射流对C0il性能影响的数值研究

在化学氧碘激光的混合喷管内发生的是一个气体动力学、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,对COIL的气动和增益特性进行探讨.在不同的射流穿透条件下,计算COIL混合喷管中的混合与化学反应过程,发现穿透深度决定了增益的分布特性以及过度穿透条件下的非定常结构.     

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.     

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%。     

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。     

气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究

对具有气膜冷却的某涡轮叶栅,提取中部截面型线进行了平面叶栅的气热耦合数值模拟,研究了多孔射流气膜冷却流动的特点.主流与固壁气流耦合计算表明,冷却气流在冷却腔内的流动过程中,被固体壁面加热,在喷射入主流场之前温度升高幅度较大,使得沿程后部的冷却效果减弱,同时研究了多射流孔附近区域三维定常流动的流场.     

COIL亚声速段横向喷流混合流场数值分析

 COIL是一个气体动力学、化学反应动力学以及光学相互耦合的复杂过程。作为高总压COIL系统研究的第一步,利用三维CFD技术对传统的COIL亚声速段横向射流混合过程进行了数值分析,讨论了包括压力梯度驱动项的分子扩散机制,得到了横向射流的较精细的结构,如马蹄形射流界面、逆旋涡对以及射流剪切层。结果表明,压力梯度驱动项对重、轻组分的扩散作用相反,重组分沿压力梯度正向扩散,轻组分逆压力梯度方向扩散。在射流穿透不足的情况下,仍然在喷管出口得到了约为0.01 cm^-1的小信号增益系数。     

基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟

基于D1Q4可压缩格子Boltzmann模型,按照流通矢量分裂方法的思路,采用坐标旋转技术构造求解三维带化学反应Navier-Stokes方程对流通量求解器.结合有限体积法求解三维化学非平衡流Navier-Stokes方程,采用时间算子分裂算法解决化学反应刚性问题,数值模拟超声速化学非平衡流的三个经典算例.数值结果表明:在高马赫数下,采用D1Q4可压缩格子Boltzmann模型构造的三维对流通量求解器数值模拟中没有出现非物理解,同时在超声速化学非平衡流场中正确分辨激波、燃烧波等物理现象,精度和分辨率均较高,验证了本文构造的三维对流通量求解器的可靠性,拓宽了D1Q4可压缩格子Boltzmann模型的应用范围,为计算超声速化学非平衡流提供一种新方法.     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

化学氧碘激光器内流场亚跨超音速混合的大涡模拟研究

 利用大涡模拟对化学氧碘激光器内的亚跨超音速混合过程进行模拟分析,其结果表明了大涡模拟对这种低压、低密度、亚跨超音速及夹杂多种介质的化学流场的可执行性。与传统的雷诺平均仿真结果相比较,大涡模拟能掌握更多的流场细节数据,能够对混合过程进行精准地判断和分析。在此基础上,提出了碘流反向45°入流的设计方案以增强混合程度,计算表明采用此种方案在相应出光面上平均小信号增益系数提高了5%。     

连续波氟化氘/氟化氢化学激光器TRIP技术混合机理

 采用CLNST引入的扰流气注入技术对连续波氟化氘/氟化氢化学激光器进行数值模拟研究。模拟其3维流场有化学反应,但不考虑激射的情况。计算结果显示:加入扰流气后,平行注入的主副气流混合增强明显,气流混合速度明显加快,在喷管出口平面5 mm处即扩散至副喷管中心线位置,且小信号增益系数值明显增强。分析了流场结构得出:扰流气增强气流混合的主要方式在于使反应界面拉伸和扭曲,同时观察到有弱漩涡产生,但沿气流方向较快耗散掉,对流场影响较小。     

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.     

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。