激光能量注入控制Ⅳ型激波干扰的数值研究

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰,有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法,在来流马赫数为3.45的条件下,计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明:单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50~60μs),钝头体表面压力突然升高,随后压力有一个较为明显的下降过程,然后恢复原状态;当注入的连续激光能量较小时,钝头体表面压力略微增大,随着注入能量增大,钝头体表面压力峰值减小;在注入能量到一定程度时,钝头体表面压力峰值减小已不明显。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

钝头体流场结构及俯仰动态特征分析

钝头体跨声速段稳态流场的数值模拟结果显示,其尾流区内含有丰富的流场结构,流场结构直接影响着钝头体的后体压力分布.自由振动数值模拟结果显示,钝头体在跨声速区出现动不稳定,最终进入极限环振动.通过分析发现,在振动过程中,钝头体前体对流场做正功,释放钝头体振动能量,抑制振幅增加,流场对钝头体后体做正功,增加钝头体振动能量,导致振幅增加,当两者相等时,振动进入极限环状态.     

高重复频率激光脉冲光束大小对吸收玻璃损伤特征的影响

针对高重复频率对吸收性滤光片损伤问题,研究了高重复频率(kHz量级)激光脉冲的光束半径大小对吸收玻璃的形貌特征和损伤机理.研究发现在总的激光作用个数、单脉冲能量和脉冲作用频率固定时,吸收玻璃的损伤特性发生很大变化:在光束半径较大时,激光能量分散,主要损伤形貌是熔化破坏;随着光束半径的减小,激光脉冲能量变得集中,热量的累积效果变得明显,逐渐变成熔化破坏和气化破坏;当激光光束半径小到一定程度,则会由于光强过大使得介质表面发生击穿而产生激光等离子体冲击波,同时由于热量沉积的集中使光束作用中心处产生超热液体,当满足相爆炸发生的条件时,气化物、液滴和固体颗粒的混合物会向外飞溅,在损伤凹陷的周围形成气化物、液滴的冷凝区和固体颗粒溅射区. 关键词： 激光诱导损伤 高重复激光脉冲 吸收玻璃 相爆炸     

高精度非定常激波装配法

为正确模拟高超声速绕流中,来流小扰动与弓形激波之间的干扰对流动特征的影响,将弓形激波作为动边界,利用非定常特征关系处理激波处的边界条件.应用五阶精度迎风紧致格式和六阶精度的对称格式与三阶精度的R-K方法相结合,建立高精度非定常激波装配方法.采用该方法数值模拟钝锥高超声速定常流场和二维抛物外形高超声速边界层流动的感受性问题,数值模拟来流小扰动与弓形激波干扰激波后非定常扰动流场,研究扰动波进入边界层产生边界层不稳定波的特征.     

基于波长330nm激光激发多色激光导星回波光子数的数值计算与探讨

采用无模激光器发射波长为330 nm的激光激发多色激光导星,需要考虑脉冲激光重频率、激光带宽、激光初始光斑直径以及大气透过率对回波光子数的影响.通过数值模拟,计算了高斯光束的脉冲激光和连续激光激发多色激光导星在实际大气中后向辐射330 nm和2207 nm波长的回波光子数.数值计算结果表明,在垂直发射和接收的情况下,当到达大气中间层的激光能量为1 W时,连续激光能够获得更多的回波光子数,并且回波光子数几乎无起伏.对于脉冲激光,提高脉冲激光重频率达到50 kHz以上时,多色激光导星330 nm的回波光子数随脉冲重频率的增加趋于有限值;当大气能见度小于5 km且大气相干长度为12.8 cm时,大约需要34 W以上的激光发射能量,才能获得满足使用自然星全倾斜探测的330 nm回波光子数.对于连续激光,相同情况下,大约需要20 W以上的激光发射能量.     

点火位置对激光等离子体减阻效能的影响

利用激光等离子体减小高超声速飞行器波阻是一种新概念减阻方式,点火位置是研究减阻效能的重要参数。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨力数值方法,在气流马赫数为6.5、飞行高度为30km条件下,计算了不同点火位置对减小高超声速飞行器波阻的影响。研究结果表明:利用激光等离子体可以有效地减小高超声速钝头体飞行器波阻;点火位置到驻点的距离与飞行器直径之比为2时,减阻效果最好,且数值模拟与理论计算结果吻合较好。     

液体中激光等离子体声波特性研究

采用压电陶瓷水听器对液体中激光等离子体声波进行了实验研究.利用小波变换对不同激光能量、不同作用金属物质、不同激光波长下检测的声波信号进行了频谱特性分析.结果表明:液体中激光等离子体声波的频率分布范围为0～150 kHz,激光能量、金属物质与激光波长的改变对声波频率范围并没有太大的影响;小波分解后,低频a6级信号的能量占总能量的绝大部分,所占比例随着金属离化能的增加而减少;信号的主要频率成分为0~10 kHz,集中在a6级,峰值频率为5kHz.     

液体中激光等离子体声波特性研究

采用压电陶瓷水听器对液体中激光等离子体声波进行了实验研究.利用小波变换对不同激光能量、不同作用金属物质、不同激光波长下检测的声波信号进行了频谱特性分析.结果表明:液体中激光等离子体声波的频率分布范围为0~150 kHz,激光能量、金属物质与激光波长的改变对声波频率范围并没有太大的影响|小波分解后,低频a6级信号的能量占总能量的绝大部分,所占比例随着金属离化能的增加而减少|信号的主要频率成分为0~10 kHz,集中在a6级,峰值频率为5 kHz.     

Nonlinear effects of pulsed periodic energy supply on shock wave structure of transonic flow around airfoils

The work deals with an investigation of possibilities of controlling the aerodynamic characteristics of airfoils with the aid of external local pulsed-periodic energy supply at transonic flight regimes. The alteration of flow structure near a symmetric airfoil and its wave drag has been studied on the basis of a numerical solution of two-dimensional nonstationary gas dynamics equations versus the energy supply period, the localization and shape of the energy supply zone. The energy supply upstream of the closing shock in the immediate proximity of the contour in the zones extended along it is found to result in a considerable reduction of the profile wave drag. The nature of such a drag reduction is elucidated. The existence of a limiting frequency of energy supply is established.     

吸气式激光推进中激光能量沉积过程的数值模拟

 结合辐射输运方程,在流体力学方程组的能量方程中加入包括空气吸收的激光能量以及高温气体向周围辐射损失的能量源项,转化为辐射流体力学方程组,建立了用于模拟吸气式激光推进中能量沉积过程的物理力学模型和计算方法。该辐射流体力学计算程序可以很好地模拟激光能量沉积过程中空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用以及激光维持的爆轰波的传播规律,计算得到激光能量的沉积效率约为57%,激光维持的爆轰波的传播速度与同等条件下的理论和实验结果吻合得较好。     

Development of laser deposited multilayer zone plate structures for soft X-ray radiation

As a novel approach, the combination of pulsed laser deposition and focused ion beam was applied to fabricate different types of multilayer zone plate structures for soft X-ray applications. For this purpose, high quality non-periodic ZrO₂/Ti multilayers were deposited by pulsed laser deposition on planar Si substrates and on rotating steel wires with layer thicknesses according to the Fresnel zone plate law. Linear focusing optics were fabricated by cutting slices out of the multilayers by focused ion beam and placing them directly over pinholes within Si₃N₄ substrates. Additionally, it was shown that laser deposition of depth-graded multilayers on a wire is also a promising way for building up multilayer zone plates with point focus. First experiments using a table-top X-ray source based on a laser-induced plasma show that the determined focal length and spatial resolution of the fabricated multilayer Laue lens corresponds to the designed optic.     

激光靶耦合过程中的激光能量沉积方程

 激光聚变靶物理研究用激光强率I随空间的变化来反映激光能量的沉积。目前激光靶物理研究使用的激光能量沉积方程在临界面处发散,讨论了造成这一非物理结果的原因,给出了合理的激光强度方程,并讨论了新旧两种激光强度方程对激光吸收的影响。     

On the possibility of controlling transonic profile flow with energy deposition by means of a plasma-sheet nanosecond discharge

A way of effectively affecting the gasdynamic structures of a transonic flow over a surface by means of instantaneous local directed energy deposition into a near-surface layer is proposed. Experimental investigations into the influence of a pulsed high-current nanosecond surface discharge of the “plasma sheet” type on gas fast flow with a shock wave near the surface are carried out. The self-localization of energy deposition into a low-pressure region in front of the shock wave is described. Based on this effect, a facility for automated energy deposition into a dynamic region bounded by the moving shock front can be designed. The limiting value of the specific energy deposition on the surface in front of the shock wave is found. With the help of the direct-shadow method, an unsteady quasi-two-dimensional discontinuous flow arising when a plasma sheet is initiated on the wall in a flow with a plane shock wave is studied. By numerically solving the two-dimensional nonstationary equations of gas dynamics, the influence of the energy of a pulsed nanosecond discharge, which is applied in the frequency regime, on the aerodynamic characteristics of a high-lift profile is investigated. It is ascertained that the energy delivered to the gas before the closing shock wave in a local supersonic region that is located in the neighborhood of the profile contour in zones extended along the profile considerably decreases the wave drag of the profile.     

脉冲强激光破坏Hg0.8Cd0.2Te晶片材料的机理分析

 利用光学金相显微镜对TEA-CO₂脉冲强激光辐照的Hg_0.8Cd_0.2Te晶片表面进行了观察。在单脉冲能量为37.5 J，能量密度为937.5 J/cm²的强激光辐照下，晶片表面呈现出熔融迹象和大量的微裂纹，微裂纹密度从激光辐照区中心向外逐渐减少，裂纹沿晶体的(111)面扩展。随着脉冲连续作用次数的增加，晶片表面熔融更加剧烈，裂纹数目、裂纹深度和宽度都有所增加。分析认为：HgCdTe晶片的破坏与激光辐照能量、脉冲连续作用次数、激光场强分布、激光热应力、激光支持的燃烧波和物质的蒸发波等冲击波有关。     

沟道效应作用下中性原子在激光驻波场中的沉积特性研究

基于半经典理论,建立了中性原子与激光驻波场相互作用的模型,分析了中性原子在激光驻波场沟道效应作用下运动轨迹及沉积特性,探讨了球差、色差和原子束发散角对沉积条纹的影响. 得到了上述三种影响因素下纳米光栅的半高宽分别为0.532,12.16,96.70 nm. 仿真结果表明,随着原子束发散角度的增加,沉积条纹的对比度将会下降,当原子束发散角分别为0.1 mard时,其对比度为85.2：1,发散角为0.3 mrad时,条纹对比度为5.33：1,而当发散角增加至0.5 mrad以上时,沉积条纹将会出现分裂现象,导致条纹的恶化. 关键词： 激光驻波场 纳米光栅 沟道效应     

KrF准分子激光退火氢化非晶碳化硅薄膜的晶化研究

介绍了利用KrF准分子脉冲激光对氢化非晶碳化硅(a-SiC∶H)薄膜进行激光退火以实现薄膜的结晶化。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在单晶Si(100)衬底上制备a-SiC∶H薄膜, 再用不同能量密度的激光对薄膜样品进行退火。分析表明, 选用合适能量密度的激光退火能够实现a-SiC∶H薄膜的结晶化, 且结晶颗粒大小随着入射激光能量密度的增加而增大; 显微图表明当入射能量密度超过200 mJ/cm2时, 薄膜表面出现由热弹性波引起的表面波纹现象, a-SiC∶H薄膜结晶过程为液相结晶; 傅里叶红外谱(FTIR)表明随着入射能量密度增加, 薄膜中氢含量降低, Si-C峰增强并且峰位出现蓝移, 薄膜的结晶度提高。