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。     

kW级立式氧碘化学激光器的初步实验研究

 实验考察了立式氧碘化学激光器的工作性能。在氯气流量为82 mmol/s,无主稀释气的条件下,输出功率约1.3 kW，化学效率达到16.9％。分别与以氦气和氮气为稀释气的氧碘化学激光器进行了主要参数的比较（He-COIL在氯气流量110 mmol/s时，输出功率为2.4 kW；N_{2-COIL在氯气流量115 mmol/s时，输出功率为2.6 kW；立式氧碘化学激光器在氯气流量115 mmol/s时，输出功率为1.32 kW），结果表明该COIL装置初步实验结果与传统的He-COIL和N2-COIL相比还存在很大差距。但通过对实验结果的深入分析得知，若进一步降低单重态氧发生器的pτres值，缩短超音速喷管中亚音速段的氧碘混合长度或采用超音速段氧碘混合方式，使该立式氧碘化学激光器在无主稀释气的条件下运行且达到与He-COIL和N2-COIL相当的功率水平是可以实现的。}     

以氮气为载气的千瓦极COIL的初步实验研究

首次在氯气流量为110mmol/s、采用方列管型射流式O^2(^1△）发生器（SPJSOG）以及列阵式超音速氧碘混合喷管的COIL装置上，以氮气替代拟气作为载气进行出光实验研究。初步实验获得1.8kW的激光输出功率以及18％的化学效率。     

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%。     

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.     

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.     

以氮气为载气的千瓦级COIL的初步实验研究

 首次在氯气流量为110mmol/s、采用方列管型射流式O₂(¹Δ)发生器(SPJSOG)以及列阵式超音速氧碘混合喷管的COIL装置上，以氮气替代氦气作为载气进行出光实验研究。初步实验获得1.8kw的激光输出功率以及18%的化学效率。     

JSOG中水蒸汽含量的模拟计算

氧碘化学激光（简称 COIL）系统中，水是影响激光功率输出的最重要的原因之一。气流中的水不仅对激发态碘原子有严重的猝灭作用，另外对碘分子解离、超音速流动特性也有很坏的负面作用。单重态氧发生器的BHP（Basic Hydrogen Peroxide ）溶液是最主要的水蒸汽源。利用传质模型对射流式单重态氧发生器（简称JSOG）中产生的水蒸汽进行了计算，所得的数值结果与实验测量结果基本相符。根据模拟结果，对发生器的设计及实验条件进行了优化。     

化学反应与饱和模型对化学氧碘激光性能的影响

 将速率方程（RE）模型与化学动力学模型相结合，讨论了增益饱和模型与化学反应系统对COIL性能的影响。流动为预混的一维模型，考虑了10种成分和21个化学反应，分析计算了未分解碘分子，激发态氧产率，水含量以及温度等因素对COIL性能的影响。计算结果表明，碘流量过多，混合和反应过程中消耗大量能量；碘流量过低，导致粒子数反转和增益过低，对于能量的提取不利。     

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。     

利用混合载气提高COIL化学效率

 为进一步提高氧碘化学激光器效率,提出一种不改变激光器结构,仅变换主副载气的方法。在增益区长度为11.7 cm的激光器上进行实验,以N₂, Ar和CO₂做为氧碘化学激光器的主载气或副载气,对激光器的输出功率和化学效率进行了研究。实验结果表明,平均分子质量改变对主副气流的混合是有利的,因而可以提高激光器的输出效率。当N₂为主载气,Ar为副载气时,激光器输出功率和化学效率最高,分别达到3.09 kW,30.2%。     

化学氧碘激光器非稳腔的研究

设计并研究了适合于连续波超音速化学氧碘激光器的正支共焦非稳腔，给出了放大率、输出功率和光束质量的实验结果。     

超音速氧碘化学激光实验研究

在一台５ｋＷ超音速氧碘化学激光器装置上采用转网式单重态氧发生器，在Ｃｌ２流量为１５０ｍｍｏｌ／ｓ时输出功率已超过１ｋＷ。     

近共振传能放热对氧碘化学激光器性能的影响

在氧碘化学激光器(COIL)中,O2(1Δ)与I的近共振传能反应是一个放热反应;它与水汽等的猝灭放热反应一样会对激射过程产生不利影响,而且是不可避免的。计算了猝灭放热效应对光腔气动特性输出功率的影响。得到了近共振传能放热的大小与粒子数反转和激射的光子数相关,即与光腔内的增益、光场强度分布成正比,故主要发生在激光器的上游区前半部分。模型计算表明,其影响程度大致相当于7%水汽所致的对氧碘化学激光器的影响。完善了氧碘化学激光器理论计算模型。     

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。     

Semi-gas kinetics model for performance modeling of flowing chemical oxygen-iodine lasers (COIL)

The gas pressure in a laser cavity of flowing chemical oxygen-iodine laser (COIL)is about 133.31333 Pa[1]. In this pressure range, effects of homogeneous and inhomo-geneous broadening competing with each other on the performances of a COIL are no-ticeable. Generally, a rate equation (RE) model is adopted to the performance modeling of a supersonic COIL, such as in refs. [1—4]. This model assumes the spectral line pro-file is homogeneously broadened. Homogeneous broadening assumption sim…     

氧碘激光器小信号增益时空分布的实验研究

 首次利用一台亚音速小型连续波化学氧碘激光器做探测光源，用放大法直接测量超音速化学氧碘激光器的小信号增益系数，测得了小信号增益系数随时间和气流方向的变化。     

p-τ值对COIL的影响的实验研究

 实验研究了单重态氧发生器（SOG）的p-τ值，即初始氯气分压与停留时间的乘积，对化学氧碘激光器（COIL）的影响，并分析了诸多实验因素对SOG的p-τ值的影响。对于提高COIL的化学效率具有很重要的实际意义。