DF化学激光器扩压器流场仿真及优化

建立了DF化学激光器压力恢复系统扩压器的流场仿真模型,对扩压器流场结构进行了仿真分析。结果显示,扩压器超扩段长度为1310 mm时,激光器可工作压力为7.18 kPa。增加超扩段长度至1810 mm,激光器的可工作压力上升至8.25 kPa; 插入2片楔形叶片,激光器的可工作压力提升至8.52 kPa。适当增加超扩段长度和插入叶片的方式可在一定范围内提高激光器的工作压力,研究结果对于化学激光器扩压器的设计与优化具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

二次喉道扩压器对COIL的影响实验

 氧碘化学激光器分别采用二次喉道扩压器和8°扩压器时，对在不同阀门开度下的气流方向的壁面静压曲线和背压曲线，光轴壁面静压曲线，出口总压与上游压比值曲线，输出功率曲线进行了测量。对两种扩压器的数据进行了对比，结果表明：与8°扩压器相比，二次喉道扩压器能够有效隔离扩压器下游气流对光腔的干扰，显著减小捩区长度，并将转捩区控制在扩压器内。在激光器背压升高时，二次喉道扩压器的稳定性更强。     

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%。     

附面层抽气扩压器实验研究

 针对气动和化学激光器现有超声速扩压器的不足，提出一种新型式的扩压器——附面层抽气扩压器。以常温空气为介质，通过改变扩压器附面层抽吸能力、混合室隔板长度、扩压器出口反压及主进气流量等条件进行试验。结果表明：该型式扩压器在一定条件下可以有效隔离光腔流场，改善壁面压力分布，且其长度尺寸可比常规扩压器缩短约25％。     

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。     

直排型DF/HF化学激光器双喷管模型启动特性

 建立了一套直排型DF/HF化学激光器气流通道双喷管小型实验装置,通过选择不同副气流总压（模拟燃烧室气流）进行实验,研究了副气流总压对双喷管实验装置启动特性的影响。实验结果表明：随着副气流总压的增大,装置的启动压力降低,盲腔条件下的启动压力明显高于有副气流时的启动压力。因此,先通入燃烧室气流,再开通引射气流,对直排型连续波DF/HF化学激光器的启动是有利的。采用1维处理方法,建立了从引射气流喷管入口、副气流喷管入口到扩压器出口的理论模型,得到了与实验一致的规律。由于1维理论中采用了一些近似处理,实际启动压力比理论数据高20%～31%。     

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。     

离心压气机楔形扩压器设计及改进方法研究

本文针对一总压比为11,质量流量为2.98kg/s的单级离心压气机进行了设计.其中扩压器为楔形扩压器,蜗壳为圆截面对称结构。通过数值计算得到其性能曲线和流场分布,探究了楔形扩压器进口安装角对压气机性能的影响,并对其叶型进行改进设计,最后为其匹配蜗壳得到整级的性能曲线.结果表明采用较大的正冲角、曲线轮廓楔形扩压器性能较高,改进完成后整级等熵效率为81.04%,压比为12.73.     

自由旋涡气动窗口全流场的数值模拟

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型,对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究,得到自由旋涡气动窗口的流场结构,发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化,对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后,激光器输出光束通道内压力分布稳定上升;增加扩压器外端壁吹气1.19MPa、内端壁吹气1.68MPa时,自由旋涡射流总能提高,气动窗口密封压力从37.5torr降低至6torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.     

高恢复压力氟化氘增益发生器技术研究

增益发生器是影响高能氟化氘(DF)化学激光器恢复压力的核心组件,采用传统增益发生器的DF激光器尾气恢复压力约为6.7 kPa。设计了一种紧凑化TRIP型增益发生器,突破了高腔压运转、主气流气幕和激射腔边壁回流抑制等关键技术,实现了DF激光器尾气恢复压力的大幅提高。实验结果表明,在面积比流量为1.3~3.3 g·s-1·cm-2的范围内,随着增益发生器面积比流量的提高,激光器尾气恢复压力有效提高,面积比功率持续增加;在面积比流量为3.3 g·s-1·cm-2条件下,DF激光器可以实现26.7 kPa背压(海拔10 km大气压)下的高效运行。     

有叶扩压器的流场分析

本文利用计算流体力学通用软件了进行离心压气机扩压器的初步设计工作。参照有关文献[1~8]中的设计公式,本文进行了以下几种扩压器的几何造型和数值计算: (1)双圆弧中心线机翼型叶片扩压器; (2)楔形扩压器;(3)用优化程序设计的扩压器,给出了各扩压器造型在给定边界条件下流场的马赫数、静压、总压的分布,计算出各扩压器造型的静压比和总压恢复系数。最后对设计的扩压器与叶轮一起连算,以取得更接近实际情况的计算结果。通过对计算结果进行的分析比较,得到了离心压气机扩压器设计中有价值的初步性结果,为进一步的设计提供了改进途径和相应的基础数据。     

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。     

三种带涡流控制扩压器的燃烧室燃烧试验结果分析

一、前言 本试验研究是在文献[1、2]的基础上,对几种不同结构形式的涡流控制扩压器匹配相同火焰筒的扇形试验件所进行的试验,探求扩压器形式对燃烧性能的影响。同时也研究了抽气比、抽气方式及进口流场对燃烧效率、出口径向温度及壁温的影响。试图为该种扩压器的实际应用筛选更合适的结构方案,进而补充国内、外对该种扩压器研究工作中的不足之处。     

闭合循环HF激光器流场特性

闭合循环运行是实现高功率重复频率HF激光器小型化、实用化的重要技术途径。为了实现闭合循环电激励重复频率HF激光器激光能量的稳定性输出,研究闭合循环HF激光器的流场特性,建立了激光器管道的数学仿真模型,利用流体分析计算软件ANSYS,分析了激光器内增益区气体介质流场分布。根据流场分布均匀性要求,提出了增益区的注入段和传输段的不同的结构假设,对不同结构条件下流场进行了模拟计算及分析。最终设计了均匀性更佳的通流管道,并实验测量了激光器内增益区气体介质的流速分布,实验结果与理论仿真一致。     

进口具有预旋流动的亚音速轴对称环形扩压器粘性流场计算

环形扩压器是一个重要的气动元件.装在透平级后的轴向式或轴径式环形扩压器,通过它的排气扩压过程,可以降低透平级背压,在同样透平进口参数条件下,提高透平作功能力,减少余速损失,使整个透平机效率得到提高.由于环形扩压器常在具有一定周向和径向速度分布的进口流动条件下工作,因此研究进口具有预旋流动的环形扩压器的流     

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。