收藏本站
《华中科技大学》 2011年 博士论文
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高功率轴快流CO_2激光器气体流场及热交换的模拟与优化

黄鸿雁  
【摘要】:轴快流CO2激光器是目前大功率激光工业加工应用的主力光源,随着加工工业的发展,不仅要求激光器具有更高功率,而且要求具有体积小、重量轻的紧凑结构。实现这一目标的关键在于气体循环系统的优化设计,其核心在于热交换以及流场的优化。本文针对高功率轴快流C02激光器的热交换以及流场特性对激光器实现高效、稳定的激光输出以及长时间运行稳定性的影响进行了研究,将气体循环系统分成了四个主要区域,就决定热交换过程以及流场分布的三个关键区域:放电区域、热交换区域、风机入口流道区域进行了分析研究。论文的主要研究工作如下: (1)研究了轴快流CO2激光器气体循环系统的第一个关键区域—放电区域内部流场的优化方法。比较了不同入流喷嘴偏转角度的放电管数值模拟结果,主要将分析重点放在沿管长方向上的速度和湍流强度分布,以及横截面上的速度和湍流强度分布上。可以看出工作气体的涡流在阳极区是有利的,但在直管段要尽量抑制;入流喷嘴偏转45角,可以实现管内最利于稳定辉光放电的气体流动状态,既在阳极区产生强湍流流动,又保证了直管段均匀、稳定的流动。为了提高放电管的输出功率,将管径由19 mm增加到23 mm,需要通过合理的设计来消除流道变大带来的流动不稳定性影响。通过比较不同入流喷嘴尺寸设计的23 mm放电管的内部流场分布,得到了优化设计的原则,即放电管管径和入流喷嘴直径存在一个最佳的比值R最优=1.5,增加放电管直径时需要按照此比值来确定入流喷嘴尺寸。并且进一步研究了入流喷嘴尺寸对于气体流场分布均匀性和稳定性的影响。 (2)针对激光器热交换过程的特点,比较了适用于轴快流CO2激光器的各种换热器的主要特点及优劣,并最终选择了矩形翅片管式换热器作为所研制激光器气体循环系统中的热交换部件。并以7 kW轴快流CO2激光器为例,给出了此类换热器结构参数设计、换热能力以及流阻计算的传统经验公式方法,通过这种方法设计的热交换设备已经运用于所研制的7 kW轴快流CO2激光器,效果良好,在输出功率达到8 kW以上时也能很好的满足换热需求。 (3)研究了轴快流C02激光器气体循环系统的第二个关键区域,热量交换区域的数值模拟方法。通过分析轴快流CO2激光器内部热交换过程的特点,得到了几何模型、物理模型以及数学模型简化和近似的方法,进行了气体流场以及热交换过程的数值模拟的仿真。比较数值模拟的结果与经验公式的计算结果,得到了较好的一致性:换热量相差3.5%、压力损失相差仅2.9%,验证了本课题采用的数值模拟方法是合理且符合实际情况的。通过分析、比较不同管排布置的换热器数值模拟结果,得到了换热器内部流场的分布特点:压强损失与沿气体流动方向上管排数的增加而增大;管子迎风侧换热效果最好,背风侧换热效果最差,为了提高换热器换热效果,要尽量抑制背风侧的死区。根据以上特点,为4 kW轴快流CO2激光器选择了最为合理的管排布置,保证了所需的换热量,也满足了压阻尽量小的设计原则。解决了激光器的热交换设备设计计算繁琐且灵活性不高的问题,为其提供了准确、高效的新方法。 (4)研究了轴快流CO2激光器气体循环系统研究的第三个关键区域,风机入口流道区域。分析了热交换过程以及流场分布的数值模拟方法,计算得到了区域内部气体流场的详细分布。首先针对传统结构进行数值模拟研究,计算结果验证了数值模拟的合理性,根据传统结构的内部流场分析可以得到优化设计原则:进口气体的速度和温度都较高,因此入口端需要保证足够大的空间,以利于高速高温气体充分扩散到换热器的整个翅片区域;风机出口的涡流区域,导致了出口端流动阻力增加,压强降低也比较明显,因此,出口端尽量不要有障碍物遮挡,以免增加压阻。根据此原则,设计了紧凑型的风机入口流道结构。通过分析比较两个典型的紧凑型流道结构的数值模拟结果,为所研制3 kW轴快流CO2激光器确定了最优的风机入口流道结构,优化后的紧凑型结构不仅比传统结构节省了34%的空间,流阻减小了6%,并且可以实现3.6 kW的激光输出,最高电光转换效率达到23.4%。 论文的研究工作,改进了传统只能采取经验和试错的轴快流CO2激光器气体循环系统设计方法,为热交换以及流场的优化设计提供了理论指导,缩减了设计周期、节省了成本,使优化设计过程更加高效和准确。为轴快流CO2激光器朝更高功率和更紧凑结构发展,提供了有效的模拟仿真与设计工具。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 姚民昌;程爱华;尹杰;齐凤武;;喷施CO_2对黄瓜生理代谢影响研究初报[J];辽宁师范大学学报(自然科学版);1988年04期
2 蒋高明,韩兴国,周广胜;北京山区典型暖温带落叶阔叶林大气CO_2浓度、草本层光合作用及土壤释放CO_2变化特点(英文)[J];Acta Botanica Sinica;1997年07期
3 于申,李国诚,于家升;气相色谱法快速测定绝缘材料热解产物中CO_2含量[J];高师理科学刊;1998年01期
4 周家贤;21世纪的新碳源[J];煤化工;1999年02期
5 赫英,廖永胜;胜利油田富CO_2含金流体及有关成因问题[J];地质论评;2001年05期
6 宋兆楼;种子和叶片在呼吸作用中释放CO_2的实验改进[J];生物学通报;2004年01期
7 李政;王哲;麻林巍;付峰;倪维斗;;我国二氧化碳排放控制的一些思考[J];中国科学基金;2008年04期
8 D.C.吉尔曼诺夫 ,P.A.秦可娃 ,李鸿生;按照CO_2体积测定微量CO_3[J];石油实验地质;1966年02期
9 ;高精度全国产化CO_2细胞培养箱研制成功[J];华中科技大学学报(医学版);1990年04期
10 郭进林,吴惠联,张玉昆;一种简易实用的CO_2培养装置[J];细胞生物学杂志;1992年03期
11 Charles Blue ,张昌明;冰川中CO_2为人类历史时期提供的大气层信息[J];地质科技情报;1993年02期
12 禚柏欣;CO_2激光治疗腱鞘囊肿2例[J];应用激光;1994年02期
13 张亚兰,程肖蕊,杨柏明,杨松涛,李彦舫;CO_2浓度升高对禾本科植物幼苗生长发育的影响[J];吉林农业大学学报;1996年S1期
14 李潇;CO_2可以溶解蛋白质[J];生命的化学;1996年03期
15 孙玉梅,郭迺嬿;莺歌海盆地CO_2气成因探讨[J];中国海上油气(地质);1998年03期
16 陈爱群;;利用遥感数据估算将来北方森林的碳螯合量[J];测绘科技情报;2004年02期
17 ;Responses of CO_2 in surface water in subtropical West Pacific to El Nio event[J];Acta Oceanologica Sinica;2001年01期
18 李水;全球性CO_2浓度增加对农作物的影响[J];世界农业;1991年02期
19 乔然;海水二氧化碳分压(P_(CO_2))的取样手段和分析计算方法[J];海洋预报;1993年01期
20 刘先曙;利用海藻和CO_2生产石油[J];科技导报;1994年09期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李元广;王伟良;金建;;生物能源与CO_2减排领域的热点战略研究方向——微藻生物柴油产业化技术的发展思路及若干科学问题分析[A];庆祝中国藻类学会成立30周年暨第十五次学术讨论会摘要集[C];2009年
2 邹定辉;;长时期的高CO_2浓度生长条件对羊栖菜光合作用没有下调的作用[A];庆祝中国藻类学会成立30周年暨第十五次学术讨论会摘要集[C];2009年
3 冯振刚;;CO_2激光在自体表皮移植术中的应用[A];2010全国中西医结合皮肤性病学术会议论文汇编[C];2010年
4 刘程惠;胡文忠;姜爱丽;田密霞;王艳颖;何煜波;金黎明;;超临界CO_2萃取牡蛎中多不饱和脂肪酸条件优化的研究[A];中国食品科学技术学会第七届年会论文摘要集[C];2010年
5 南北红;赵青松;;不锈复合钢板的CO_2半自动焊接[A];晋冀鲁豫鄂蒙川云贵甘沪湘十二省区市机械工程学会2007年学术年会论文集(河南、贵州分册)[C];2007年
6 王勇;李海龙;张俊清;赖伟勇;刘明生;;海南香茅油超临界CO_2萃取条件的优化和筛选[A];海南省药学会二○一○年学术年会会议论文集[C];2010年
7 钟华;蒲彪;胡旭;;超临界CO_2萃取麻疯树籽油工艺的响应面优化[A];2010年中国农业工程学会农产品加工及贮藏工程分会学术年会暨华南地区农产品加工产学研研讨会论文摘要集[C];2010年
8 樊丽华;聂阳;;离子液体吸收CO_2的研究进展[A];二氧化碳减排控制技术与资源化利用研讨会论文集[C];2009年
9 杨营;林日嘉;吴清华;陈水挟;;固体胺纤维的制备及其对CO_2的吸附再生性能研究[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
10 何海;曹寅雪;李爱军;;基于LMDI方法的湖北省工业CO_2排放分解分析:1999-2007[A];“两区”同建与科学发展——武汉市第四届学术年会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄鸿雁;高功率轴快流CO_2激光器气体流场及热交换的模拟与优化[D];华中科技大学;2011年
2 张芳;大气CO_2、CH_4和CO浓度资料再分析及源汇研究[D];中国气象科学研究院;2011年
3 戴耀;钯催化CO_2、CO的转化及C-N键偶联反应的研究[D];大连理工大学;2012年
4 李波;高功率轴快流CO_2激光器高效稳定放电方法研究[D];华中科技大学;2010年
5 彭浩;高功率板条CO_2激光器射频放电技术研究[D];华中科技大学;2012年
6 杨东晓;分离CO_2固定载体膜传质机理及其膜过程模拟和优化研究[D];天津大学;2009年
7 朱咏莉;亚热带稻田生态系统CO_2通量研究[D];中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心);2005年
8 刘长江;CO_2地质储存煤储层结构演化与元素迁移的模拟实验研究[D];中国矿业大学;2010年
9 申俊琦;基于激光视觉传感的CO_2横焊焊缝图像处理研究[D];天津大学;2010年
10 夏菲;基于超临界CO_2强化溶液分散法制备营养素脂质体前体的研究[D];上海交通大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 翟玉峰;6061铝合金薄板高功率CO_2激光填丝焊接的研究[D];上海交通大学;2011年
2 徐善雷;新造船舶CO_2指数计算方法研究[D];武汉理工大学;2010年
3 曲亚琳;高密度CO_2诱导羊肉糜凝胶的形成因素及机理初探[D];中国农业科学院;2010年
4 朱赛;表面改性对活性炭物理、化学性质及CO_2吸附性能的影响[D];郑州大学;2010年
5 朱赛;表面改性对活性炭物理、化学性质及CO_2吸附性能的影响[D];郑州大学;2010年
6 谢菲;球形活性炭对CO_2吸附行为研究[D];华东理工大学;2011年
7 谌艳珍;双台子自然保护区深部咸水层CO_2地质储存机制与潜力分析[D];中国地质大学(北京);2011年
8 梁丽丽;超临界CO_2萃取含油污泥技术研究[D];中国石油大学;2011年
9 史翠华;CO_2激光写入旋转折变型长周期光纤光栅研究[D];重庆大学;2010年
10 李娜;CO_2浓度与铜绿微囊藻生长关系的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 王迅;江苏奇能:4亿元投向“绿色电池”[N];中国有色金属报;2008年
2 山东 杜军;高功率恒光控制电路[N];电子报;2001年
3 冯锦;高功率开创的节能“大空间”[N];中国电力报;2007年
4 王雷;终极“杀手”从蘑菇云中诞生[N];解放军报;2007年
5 ;散热问题持续困扰高功率白光LED的应用[N];电子资讯时报;2007年
6 陈淑玲;茂达电子新推白光LED驱动IC[N];中国电子报;2008年
7 梁立明 DigiTimes;艾笛森发布250流明高亮度单芯片白光LED[N];电子资讯时报;2007年
8 记者 陈勇、通讯员 周宏亮、胡安慰;“光谷激光”与世界巨头并肩称雄[N];湖北日报;2006年
9 艾恕;电信用激光器市场今年将适度回升[N];通信产业报;2002年
10 李存才;低噪音发电车京城亮相[N];中国财经报;2007年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978