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轴快流CO_2激光器放电管流场的计算流体动力学模拟

李晴  
【摘要】:轴快流CO_2激光器具有输出功率大、光束质量好等优点,在高质量、高功率激光加工中有广泛的应用前景。而优化其气体流场和放电特性有助于进一步提高轴快流激光器的效率和功率。本论文即采用现代计算流体动力学方法对高功率轴快流CO_2激光器的气体放电流场进行系统的数值模拟研究和实验验证,获得了较好流场的放电管结构。论文所获得的研究结果不仅对提高现有轴快流CO_2激光器的性能有重要指导意义,而且有助于高功率轴快流激光器向更高功率发展。论文主要工作包括: (1)建立了描述轴快流CO_2激光器的流体动力学过程的三维流场数值模型。理论控制方程由三维质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和三温度模型方程组成。几何模型由网格前处理软件GAMBIT创建。 (2)结合现有实验结果分析了影响辉光放电稳定的可能因素,根据激光器工作参数设置了三维气体放电流场模型的物性参数、边界条件和求解控制参数。 (3)借助流体动力学仿真软件FLUENT实现了轴快流CO_2激光器工作气体一系列三维流场的数值计算,得到了放电管中流场分布数据。模拟结果和实验结果一致,证实了该三维流场理论模拟方法的可行性和有效性。 (4)对现有的两种典型轴快流CO_2激光器放电管的数值模拟结果和实验结果进行了对比分析。结果证明,气体流速、气体温度和湍流强度是影响辉光放电稳定性和均匀性的主要因素,也解释了现有的Lance3000激光器的放电管为什么比CP4000激光器的放电管性能差的原因。 (5)设计了两种新型的轴快流CO_2激光器放电管结构,并对新放电管结构进行了数值模拟和试验验证。理论模拟和实验结果均表明,其中一种新放电管在大大简化制作工艺难度的情况下,获得了很好的放电性能。新放电管具有结构简单,易于制作,成本低廉,实用价值较高的优点,已应用于4000W轴快流CO_2激光器中,说明该理论模拟方法对实际工作有着重要的指导意义。


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