热释放对COIL流场影响的实验

以往氧碘激光装置扩压段的设计是建立在常温定常气流条件下，没有考虑含能粒子的热释放，对于采用真空罐作为压力恢复系统的COIL装置而言，其性能优劣不能完全体现。因为真空罐可保证工作背压很低，光腔和超扩段内基本是超音速流动，静压很低，虽存在热释放造成气流总温的升高，但还可保持光腔和超扩段内静温较低，因此热释放对气流的负面效应没有完全体现。但在高背压条件下(如采用引射器作为压力恢复系统)，超扩段内气流速度减慢，热释放效应得以充分体现。     

氧碘化学激光器直线分段扩开型扩压器实验研究

 研究了不同几何外形参数对直线分段扩开型氧碘化学激光器(COIL)扩压器性能的影响,实验结果表明：光腔上下壁扩开全角8°时,选取4°超扩段扩散角可获得较好的压力恢复和隔离光腔流场的能力;超扩段增加2 mm竖隔板可降低光腔后部壁面静压,且截止反压提高约12%;在相同腔压下,10°截角唇口的截止反压比直角唇口和1/4圆弧唇口截止反压高出约7.6%;超扩段入口四壁增加人工粗糙带能明显改善光腔壁面静压的分布,并有效提高扩压器效率。     

5kW氧碘化学激光器研制

描述了研制的5kW氧碘化学激光器的系统组成和工作方式，并给出了调试的实验结果。研制该激光器主要用于超扩段性能优化研究和光腔气动参数对激光能量提取影响的研究，因此该装置各单元尽可能采用较成熟技术，系统组成主要包括单重态氧发生器、超音速喷管阵列、光学谐振腔、超扩段、供气系统、控制系统、真空系统、冷却系统。     

超高Q值光学微腔光谱信号采集系统设计与分析

针对超高品质因子Q值光学微腔实验系统的光谱数据采集难题,设计了一款针对光学微腔的光谱信号采集系统。对光谱信号采集系统进行了基本功能验证,证明了系统的稳定性和实用性;分别测试了基于电弧放电法制备的光纤微球腔与基于超精密抛光法制备的氧化硅晶体微盘腔。采集了光纤微球腔和氧化硅晶体微盘腔的透射谱,并对其模式谱线进行追踪。结果表明：光纤微球腔的Q值达到2.26×10⁶,氧化硅晶体微盘腔的Q值达到10⁹;采集系统具有很好的消噪功能,模式谱线能长时间保持稳定。针对超高Q值光学微腔开发的光谱信号采集系统具有很高的可靠性,可用于微腔光子学系统以及后续微腔传感应用开发。     

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。     

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。     

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。     

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。     

用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。     

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。     

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%。     

Supersonic diffuser for pressure recovery in SCOIL system

Classical supersonic chemical oxygen iodine laser (SCOIL) systems operate under a low total pressure of nearly 18 Torr (2400 Pa) with cavity pressure being in the range 3 Torr (400 Pa) and Mach number of 1.7. These systems handle high flow rates and hence an efficient supersonic diffuser (SD) is a critical first step towards an open-cycle operation, which may be followed by a multi-stage ejector system. The present study discusses the various aspects in the design of a supersonic diffuser for a twin 10 kW COIL module source which employs flow rates of 100 gs⁻¹ in each module. The results of computational studies based on 3-D, viscos compressible flow, k-ε turbulence formulation for the supersonic diffuser geometry have also been discussed. The experimental results from a single-module test of the supersonic diffuser show that a total recovered pressure of nearly 7 Torr is achieved at the diffuser exit.     

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。     

High throughput jet singlet oxygen generator for multi kilowatt SCOIL

A jet flow singlet oxygen generator (JSOG) capable of handling chlorine flows of nearly 1.5 mol s⁻¹ has been designed, developed, and tested. The generator is designed in a modular configuration taking into consideration the practical aspects of handling high throughput flows without catastrophic BHP carry over. While for such high flow rates a cross-flow configuration has been reported, the generator utilized in the present study is a counter flow configuration. A near vertical extraction of singlet oxygen is effected at the generator exit, followed by a 90° rotation of the flow forming a novel verti-horizontal COIL scheme. This allows the COIL to be operated with a vertical extraction SOG followed by the horizontal arrangement of subsequent COIL systems such as supersonic nozzle, cavity, supersonic diffuser, etc. This enables a more uniform weight distribution from point of view of mobile and other platform mounted systems, which is highly relevant for large scale systems. The present study discusses the design aspects of the jet singlet oxygen generator along with its test results for various operating ranges. Typically, for the intended design flow rates, the chlorine utilization and singlet oxygen yield have been observed to be ∼94% and ∼64%, respectively.     

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。     

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。     

喷管、光腔及压力恢复系统一体化设计

 对氧碘化学激光（COIL）系统的喷管和扩压器进行了3维数值模拟，对比分析了几种喷管和扩压器的设计方案，计算了从光腔入口到扩压器出口的气动力学过程。光腔内主副气流借助翼片辅助方法实现充分混合，翼片长0.77 cm，宽0.254 cm，满足气流混合要求。扩压器是1/4结构，即计算区域为入口截面高30 mm、宽60 mm的长方型，之后等截面延续500 mm，然后宽度仍然不变，高度以4°角扩张，延续700 mm，最终的出口截面高度为79 mm。采用空气入射，入口处（光腔出口）马赫数3.2，静压1 232 Pa，温度110 K；计算得到出口处总压13 300 Pa，总温300 K。结果表明：出口静压超出入口静压近10倍，该扩压器很好地起到了压力恢复的作用，而总压下降到1/4.5左右（从60 648 Pa到13 300 Pa），从而能够减轻后续的引射器的工作压力。利用高光腔压力设计可以减少一级引射器，达到整个系统小型化设计的目的。