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。     

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。     

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%。     

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。     

竖直隔板对COIL超扩段流场影响实验研究

 通过一系列对比实验比较了隔板对气流转捩点、总压损失、光腔静压的影响，并通过分析阐述了竖直隔板对扩压器内部气流参数产生影响的原因。隔板可以增加超音速区域的长度，并能增加光腔压力分布的稳定性，减小总压损失，增加压力恢复系数；隔板厚度对光腔静压的影响较大，需严格控制隔板厚度以避免正激波的产生。     

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。     

竖直隔板对COIL超扩段流场影响实验研究

通过一系列对比实验比较了隔板对气流转捩点、总压损失、光腔静压的影响,并通过分析阐述了竖直隔板对扩压器内部气流参数产生影响的原因。隔板可以增加超音速区域的长度,并能增加光腔压力分布的稳定性,减小总压损失,增加压力恢复系数;隔板厚度对光腔静压的影响较大,需严格控制隔板厚度以避免正激波的产生。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

氧碘化学激光器新型气帘实验

在氧碘化学激光器中，光腔气流的稳定度表明了反应气流组分在光腔中的稳定浓度分布。浓度越稳定，输出功率越稳定。通过气动光学一体化平台的前期实验，可以明显地观察到在光腔内静压曲线均有一个先升高后降低的过程。这是由于光腔与光腔盒之间有一段空穴，主气流在通过光腔时会在空穴处产生旋涡。光腔盒气帘的作用是为了避免主气流中的介质在出光期间对腔镜造成损伤。     

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。     

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。     

转镜扫描测量超音速氧碘化学激光器二维增益分布

首次用二维多面体扫描镜测量了超音速氧碘化学激光器的二维增益分布，测得增益区沿气流方向较长，沿光腔高度方向靠近壁面的两侧存在明显的边界层效应，并且边界层的厚度随着远离喷管出口平面距离的增大而增加。     

Laval喷管内激波位置的计算及制冷性能分析

明确激波在Laval喷管内的发生位置,能够为设计及优化Laval喷管线型提供理论依据,从而提高Laval喷管的制冷性能和整个天然气超音速分离器的分离效率。文中对Laval喷管进行了结构设计,对不同背压条件下Laval喷管内激波位置进行了理论分析与计算,并利用FLUENT软件进行了数值模拟,通过研究不同背压条件下Laval喷管内气体马赫数、压力和温度分布,对喷管制冷性能进行了对比分析。结果表明:保持Laval喷管入口压力不变,随出口背压增大,激波位置逐渐从喷管出口向喷管入口方向移动,气体受到激波的影响,在喷管所能达到的最大马赫数不断降低,所能产生的最低温度不断上升,喷管的制冷性能越差;理论计算与数值模拟结果基本一致,数值模拟验证了理论计算的正确性。     

化学激光器扩压器启动特性研究

为实现化学激光器的高速、低压尾气排入背压环境,需开展扩压器的启动特性研究。建立扩压器的仿真分析模型,根据激光器的实际工作需求,进行了扩压器总压11 kPa时的流场仿真,得到了不同背压情况下扩压器启动过程的流场,并提出扩压器逐级启动的工作方式。仿真结果显示,采用逐级启动的工作方式,扩压器以总压13 kPa启动直排入8 kPa的背景,流动稳定后将扩压器总压回调至11 kPa,实现了扩压器的正常启动。依托现有的激光器试车台进行了扩压器逐级启动的试验验证工作。试验结果表明,该种启动方式能够实现扩压器工作能力的提高。