主流无载气N2-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。     

基于混合发展的超声速段射流式COIL的数值优化

应用CFD技术,发展三维多组分化学反应流计算程序,对采用超声速段射流方式的氧碘化学激光进行数值模拟,考察分解率与增益等参考变量的详细三维分布.计算结果说明,超声速区域的高速流动以及混合效率降低使COIL无法在有限空间内完成整个运转流程;提高碘含量以加快反应速度的手段导致主流无法提供足够的载能介质,无法形成合理增益.在不改变喷管长度的前提下,提出主流无载气方式的探索,结果证明了超声速段射流方式采用无载气主流配置的可行性与优势,通过减小气流速度保证混合与化学反应在光腔上游完成,在合理的流量配比下光腔位置处可得到1.3%cm^-1的增益峰值.     

氧碘化学激光器超声速段射流工作方式性能的数值研究

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维计算流体动力学技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程对简化的氧碘化学激光RADICL模型进行数值模拟与分析,结合10种组分和21个基元反应的化学反应模型,对COIL超声速段射流情况下喷管内的流动及混合情况,尤其是产率、分解率、泵浦率和小信号增益系数的细致3维空间分布进行研究。结果证明超声速段进行射流有利于提高COIL的性能表现,可以充分利用高增益区,光腔位置增益可以达到0.012 cm-1,与亚声速段射流相比总压恢复性能提高,混合有待加强。     

载气密闭循环氧碘化学激光技术模拟实验研究

载气密闭循环氧碘化学激光器技术是一种有望大幅减小氧碘化学激光器体积和降低运行成本的技术,然而至今鲜见相关实验报道。采用超音速喷管加双螺杆真空泵建成了模拟实验装置,并通过测量超音速喷管前后和双螺杆真空泵出入口处的气动参数的方法开展了载气密闭循环氧碘化学激光器的可行性研究和工作稳定性模拟实验研究。模拟实验研究结果证明了该技术的可行性,发现并分析了其光腔压力随双螺杆真空泵转速提高而出现压力拐点的现象,确定了其稳定运行工作条件,为实现载气密闭循环氧碘化学激光器的真正运行和小型化奠定了良好的基础。     

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%。     

缓冲气体对氧碘化学激光器的性能影响

目前，普遍采用氮气或者氦气作为COIL的缓冲气体。而且，在相同条件下，氦气作为COIL缓冲气体时的出光功率比氮气作为其缓冲气体时的高。但是值得注意的是，氮气不但比氦气便宜得多，而且可以直接由液氮转化气态氮气加以应用，这大大缩小了COIL缓冲气体供气系统的体积和运行成本，提高了氮气的贮存量和装置的移动能力。     

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%。     

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,提出了简化预混的超音速氧碘化学激光理论模型。     

氧碘化学激光中BHP的NMR研究

用核磁共振的方法第一次直接证实了氧碘化学激光的化学原料过氧化氢不溶液中Ｏ２Ｈ＾－的存在，并得到了其化学位移δ＝４．７４，同时，提供了一种较精确地确定了ＢＨＰ中Ｏ＾２Ｈ＾－浓度的方法，－ＮＭＲ法。     

用FLUENT软件计算化学氧碘激光流场

用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT,数值研究化学氧碘激光喷管形线,碘喷孔位置, 副流入口压力,O2(1Δ)初始产额,水蒸汽含量以及稀释气体对平均小信号增益系数沿流动方向分布的影响;并对大连化学物理研究所超音速化学氧碘激光的两次实验进行数值模拟,计算结果显示平均小信号增益系数与实验测试的摩尔功率趋势一致。     

Numerical analysis of spatial evolution of the small signal gain in a chemical oxygen–iodine laser operating without primary buffer gas

A chemical oxygen–iodine laser (COIL) that operates without primary buffer gas has become a new way of facilitating the compact integration of laser systems. To clarify the properties of spatial gain distribution, three-dimensional (3-D) computational fluid dynamics (CFD) technology was used to study the mixing and reactive flow in a COIL nozzle with an interleaving jet configuration in the supersonic section. The results show that the molecular iodine fraction in the secondary flow has a notable effect on the spatial distribution of the small signal gain. The rich iodine condition produces some negative gain regions along the jet trajectory, while the lean iodine condition slows down the development of the gain in the streamwise direction. It is also found that the new configuration of an interleaving jet helps form a reasonable gain field under appropriate operation conditions.     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

无稀释气立式氧碘化学激光器的设计与实验

分析了氧碘化学激光器（COIL）在无稀释气条件下工作所带来的一系列问题和对其性能的影响,并提出了相应的解决方法,进而对COIL结构和相关参数进行了有针对性的设计和实验研究。在氯气流量为117.6 mmol/s时,平均输出功率2.25 kW,化学效率达到21.1%,比功率0.22 J/g;分别以氦气和氮气为稀释气,对COIL进行了参数和实验数据比较。