热容激光器激光介质的热力学数值模拟

热容激光器的热容管理模式与传统的实时主动冷却方式有着不同的温度、应力特性。为讨论激光介质的温度、热应力的分布和变化，建立了激光介质热力学计算模型。     

热容激光器激光输出特性的数值模拟

热容激光器在激射过程中，激光介质的温度随工作时司升高，导致热容激光器具有特殊的激光输出特性。建立了描述热容激光输出特性的理论模型，给出了输出功率随激光介质温升及工作时间的变化关系。     

热容型板条激光器3种介质的温度和应力分布比较

阐述了热容型板条激光器重频工作方式下瞬态温度分布和热应力分布解析模型,对Nd∶glass,Nd∶YAG和Nd∶GGG3种介质的温度和热应力分布进行了数值计算和对比分析.结果表明:3种介质的温度分布和应力分布呈现相同的变化趋势.Nd∶glass的温度梯度比其他两者大,Nd∶YAG和Nd∶GGG温度变化非常接近;Nd∶YAG的应力较大,Nd∶GGG次之,Nd:glass最小,但三者差距不大.考虑到三者承受的最大断裂阈值,Nd∶GGG最好,Nd∶YAG次之,Nd∶glass较差.     

热容模式下激光介质的动态光学畸变

 开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究,初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响,并将光学畸变转化为谐振腔损耗,数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律,模拟结果表明：当激光器工作温度低于400 K时,由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略,动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因。     

板状激光振荡介质温度场和应力场的数值模拟

以非均匀内热源模型为基础,并考虑材料的导热系数和热膨胀系数的温度相关性,利用有限元方法,对板状激光振荡介质在不同功率和冷却强度下的温度和热应力分布进行了数值模拟及分析。根据计算结果提出了最大有效换热系数的概念,指出换热系数超过最大有效换热系数后,继续强化传热对减小高功率激光器的热效应已无明显效果。以此得出采用常规冷却技术所允许的最大泵浦加热功率。     

固体棒状热容激光器的热分析

 计算出固体棒状热容激光器在不同散热边界条件下的温度分布和随时间的演变,与实验测量的结果进行了对比。计算结果表明：激光器工作在热容模式时,不同散热边界条件下激光介质内的温度分布在激光发射期间区别不大,激光发射期间,激光介质内的温度分布主要取决于泵浦光的吸收。但是散热过程中的不同散热边界条件下温度分布演化大不相同,此时的温度分布主要取决于散热边界条件。     

固体棒状热容激光器的热分析

计算出固体棒状热容激光器在不同散热边界条件下的温度分布和随时间的演变,与实验测量的结果进行了对比。计算结果表明：激光器工作在热容模式时,不同散热边界条件下激光介质内的温度分布在激光发射期间区别不大,激光发射期间,激光介质内的温度分布主要取决于泵浦光的吸收。但是散热过程中的不同散热边界条件下温度分布演化大不相同,此时的温度分布主要取决于散热边界条件。     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

片状热容激光器热效应有限元分析

基于激光介质的非均匀内热源模型,利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下,当增益介质不能够被全口径泵浦时,也会出现严重的热效应,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大;而当全口径泵浦时,介质表面热形变大大减弱,较小的拉应力存在于介质内部,而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明,介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因,而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关,它对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

片状热容激光器热效应有限元分析

 基于激光介质的非均匀内热源模型,利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA) 重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下,当增益介质不能够被全口径泵浦时,也会出现严重的热效应,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大;而当全口径泵浦时,介质表面热形变大大减弱,较小的拉应力存在于介质内部,而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明,介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因,而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关,它对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。     

二极管泵浦300 W热容固体激光器

开展了热容二极管泵浦固体激光器理论和实验研究,针对热容工作模式下工作物质的激光特性进行了初步分析,数值模拟了激光介质增益分布及温度场、应力场分布,初步完成了热容激光器实验平台的建立,在平均泵浦功率1.25 kW的激励条件下获得了大于300 W的激光输出,连续出光时间为5 s,占空比为15%,光-光转换效率约为25%.     

Numerical simulation of transient temperature field during laser keyhole welding of 304 stainless steel sheet

A three-dimensional transient numerical model was developed to study the temperature field and molten pool shape during continuous laser keyhole welding. The volume-of-fluid (VOF) method was employed to track free surfaces. Melting and evaporation enthalpy, recoil pressure, surface tension, and energy loss due to evaporating materials were considered in this model. The enthalpy-porosity technique was employed to account for the latent heat during melting and solidification. Temperature fields and weld pool shape were calculated using FLUENT software. The calculated weld dimensions agreed reasonable well with the experimental results. The effectiveness of the developed computational procedure had been confirmed.     

游船空调降温过程舱内温度场及速度场的动态模拟

以工程中广泛采用的k-ε方程湍流模式为基础,运用计算流体力学的有限差分法和SIMPLE法对船舱的三维温度场进行动态数值模拟,为舱内空调的优化设计和空调设备节能研究提供一定的理论依据。     

低温绝热气瓶颈管传热的数值模拟与试验

利用数值模拟的方法建立模型来分析高真空多层绝热气瓶容器的漏热量,与理论计算相比,能更精确分析颈管传热包括颈管导热和气体换热所占的份额及液体充满率对颈管传热的影响。模型中还考虑了不规则内筒壁的导热和容器气相空间的传热,并且模拟结果与通过试验测试不同液位高度时绝热气瓶的漏热量吻合良好。