收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

大功率固态激光器中的传热与热应力研究

李志刚  
【摘要】: 热效应是制约大功率固态激光器输出功率与性能进一步提高的严重障碍,是激光技术发展的主要瓶颈之一。本文围绕大功率固态激光器热管理,通过解析解、数值模拟和实验研究相结合的方法,进行了系统深入研究,得出强化传热、降低发热器件温度、改善温度分布不均匀性、减小热效应、提高激光器输出功率和光束质量的有效措施与方法。 针对侧面泵浦、侧面冷却的棒状激光工作物质,建立了冷却通道内对流换热、激光工作物质热传导与热应力物理数学模型。采用定热流条件下环形通道内对流换热问题的解析解/实验关联式确定流体温度的空间变化规律以及对流换热系数;由非均匀边界条件下的二维轴对称热传导模型推导出解析解;温度场级数的第一项与沿半径方向一维模型的解完全相同,级数的其余项表明工作物质中的纵向温度梯度与流体温升、径向毕渥数以及晶体棒长径比呈单调递增关系。然后进行了流固耦合数值模拟,并将数值模拟结果与解析解进行了详细对比分析;结果表明,理论解推导过程物理概念明晰,其解析表达式能够清晰反映出各种因素对温度分布的影响规律,能为温度控制和系统优化提供明确方向和理论依据,因而具有重要参考价值;流固耦合数值模拟方法由于不受复杂几何形状与边界条件、变物性等限制,能够更好反映流动与换热的入口效应,从而得到更符合实际问题的解,实际过程中两种方法应该相互结合使用,取长补短;在激光器设计中,可考虑将入口效应影响较为严重的激光棒端部排除在工作区域之外。进一步求出了工作物质中热应力与热应变分布的解析解。分析表明:在自由边界条件下,纵向温升对工作物质内部热应力分布的影响并不显著。然而晶体内部由温度场和热应力场共同作用形成的热应变场沿纵向有较明显的变化,将对晶体的光传输特性和光束质量造成一定影响。 针对正交各向异性激光工作物质,建立了热传导与热应力物理数学模型。利用积分变换法分别推导了三种不同泵浦方式下激光工作物质内部温度分布的三维解析表达式,然后从三维温度场出发,基于平面应变假设,采用Airy热应力函数法推导了三种不同泵浦方式下热应力和热应变的解析解,并与各向同性介质的结果进行了详细对比分析。结果表明,晶体内部靠近中心的区域承受压应力,而靠近表面的区域承受拉应力;假定相同的总热负荷,并假设平顶泵浦光束的半径等于高斯泵浦光束的束腰,则平顶光束泵浦方式下的最高温度和最大热应力均低于高斯光束泵浦方式,而均匀泵浦方式下的热效应最小;在无外力及约束存在条件下,热膨胀系数的正交各向异性对激光工作物质中的热应变分量有着显著影响,而对热应力分量的影响较小。本解析解可适用于激光辐照下各种正交各向异性工作物质的热传导和热应力问题。 针对DLA泵浦源Dh=0.333mm、Re =101-1775的矩形微通道内层流流动与传热,分别采用入口物性、平均物性和变物性进行了三维流固耦合数值模拟。在数据处理中也分别采用平均物性法和变物性法,并将不同方法下局部和平均流动与传热特性的计算结果与新近文献中的实验结果、常见关联式及近似理论解进行了详细对比分析。结果表明,与入口物性法相比,平均物性和变物性法均获得明显较低的f_(app)以及较高的h_z和N_(uz);与平均物性法相比,变物性法在通道起始段具有更高的f_(app)Re_(ave)和较低的hz,而在后段具有较低的f_(app)Re_(ave)和较高的hz。Nu_(ave)的计算结果与Sieder-Tate关联式吻合良好,表明传统的宏观数学模型能够正确用于预测本文尺度和Re范围内微通道中的流动与传热特性。 针对某DLA泵浦源现有水冷热沉存在的实际问题,设计和制作了一种单相液冷微通道热沉,采用细密短微通道来代替原较宽的长通道,提高了散热能力,改善了热沉加热面温度分布均匀性,同时实现了较低的流动阻力。在本实验最大流量G = 70ml/s情况下,微通道部分的压降只有10.3kPa;当热沉加热面的平均温升为25.7℃时,热沉的散热能力可达730W,相当于146.9W/cm~2的界面热流密度;热沉总热阻为0.035K/W,相应于界面上0.199 K·cm~2/W的单位面积热阻,足以达到设计的散热要求。选用更大功率的泵,实现更高的雷诺数,可以进一步降低热沉热阻,提高散热能力。此外,Shah和London的表观阻力系数关联式、Sieder-Tate的Nu数关联式以及Shah London的Nu数关联式均与本实验数据符合较好。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王佐卿;利用光的热效应产生射频表面声波[J];物理;1982年07期
2 姚新民,刘宏清,黄兴鼎,张沪生,丘冠英;低能碳离子束生物效应研究[J];原子核物理评论;1992年02期
3 赵峥;黄维华;;稳态时空的共形平直与热效应[J];北京师范大学学报(自然科学版);1992年03期
4 林钧锋,陈书潮;激光介质中热效应对光传输的影响[J];厦门大学学报(自然科学版);1993年04期
5 吕百达;;高功率板条固体激光器研究的进展[J];中国激光;1994年05期
6 张恩涛;季小玲;吕百达;;内光路中大气吸收对远场光束质量的影响[J];激光技术;2006年01期
7 叶毅聪;林文雄;王国富;李锦辉;;LD抽运Nd∶KGW薄片激光器的研究[J];激光技术;2006年05期
8 李小梅;李续娥;孙桂波;曾常春;郭周义;郭宝江;;采用红外热扫描成像系统进行复方寒凉中药热效应的研究[J];激光生物学报;2006年05期
9 孙尧;刘辉兰;于果蕾;张帅一;黄春霞;周芳;李健;;LD抽运Nd:GdYVO_4晶体热效应对激光输出特性的影响[J];山东师范大学学报(自然科学版);2006年04期
10 薛冬;周军;楼祺洪;帅敏东;;高功率双包层光纤激光器热效应及功率极限[J];强激光与粒子束;2009年07期
11 汪贻霞;;发电厂低压电力电缆截面选择的原则分析及热稳定校验的简便方法[J];中国科技信息;2009年14期
12 韩旭;冯国英;韩敬华;张秋慧;李尧;张大勇;;高功率掺镱双包层光纤激光器中光纤损伤及其理论分析[J];光子学报;2009年10期
13 阚希文;;离子注入中温升的研究[J];北京师范大学学报(自然科学版);1991年03期
14 鲁俊生;涡流热效应演示器的制作[J];物理实验;1997年04期
15 陆中道;超子产生中的热效应和非热效应[J];中国原子能科学研究院年报;1999年00期
16 张玲,杨少辰,路绪鹏,左爱斌;LD端面泵浦Nd:YAG激光器的热效应研究[J];北方交通大学学报;2002年06期
17 蔡泽平,陈浩如;大亚湾两种重要经济虾类热效应[J];生态学报;2005年05期
18 苏毅;高能激光系统中的物理问题[J];物理;2005年08期
19 陈子伦,马厉克,姜宗福,曹涧秋;LD端面抽运激光介质热效应的有限元分析[J];激光技术;2005年05期
20 裘哲勇;;一类椭圆-抛物耦合方程组弱解的衰减估计[J];杭州电子科技大学学报;2006年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周鹏;;种植屋面初探[A];中国建筑学会2003年学术年会论文集[C];2003年
2 程小劲;徐剑秋;;固体激光器中热效应对晶体介质寄生振荡的影响[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年
3 季宇彬;徐昶儒;朱兴杰;李文兰;;电磁辐射的毒理学研究[A];中国毒理学会环境与生态毒理学专业委员会成立大会会议论文集[C];2008年
4 苑凯华;邱志平;;热环境下复合材料壁板颤振分析[A];第十一届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2009年
5 张会臣;朱均;;胶合失效机理的理论探讨[A];第三届全国青年摩擦学学术会议论文集[C];1995年
6 张炽敏;李嘉;吴培;;应用超声显像对不同微波辐射天线热效应的研究[A];中华医学会第六次全国超声医学学术年会论文汇编[C];2001年
7 刘春梅;陈锦云;柯丹;徐杰;雷令;李发琪;王智彪;;脉冲高强度聚焦超声辐照离体牛肝热效应的研究[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(上册)[C];2007年
8 吴志成;沈勇;王旭;孙飞;;动圈扬声器功率压缩计算方法研究[A];2008年声频工程学术交流年会论文集[C];2008年
9 李建丽;刘永昌;;延迟战略在世博会热效应中的应用[A];上海海事大学“上海石化杯”优秀论文集[C];2005年
10 余寿文;;铁电材料的在循环电载作用下的热效应与疲劳[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李志刚;大功率固态激光器中的传热与热应力研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
2 张月萍;冷等离子体处理制备催化剂研究[D];天津大学;2004年
3 康七虎;考虑热效应影响的气井试井资料分析方法研究[D];大庆石油学院;2008年
4 曹涧秋;自组织固态激光器阵列的调频混沌和相位锁定物理机制的研究[D];国防科学技术大学;2010年
5 季小玲;高功率畸变激光的传输特性和光束控制研究[D];四川大学;2004年
6 陈吉欣;掺镱双包层光纤激光器研究[D];电子科技大学;2006年
7 张晨利;碳纳米管的等效弹性参量和屈曲行为分子动力学模拟研究[D];上海交通大学;2007年
8 王春灿;大功率光纤激光源中热效应和受激布里渊散射的抑制与半导体激光器线阵的光束整形[D];北京交通大学;2008年
9 祖宁宁;LD端面泵浦连续Nd:GdVO_4激光的理论研究[D];吉林大学;2009年
10 李洪来;高速硬盘微小型滑动轴承—主轴系统变温条件下的稳定性研究[D];河北工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 夏巍;考虑热效应的复合材料壁板颤振特性研究[D];西北工业大学;2004年
2 李朵朵;齿轮传动动态弹流润滑的数值计算模型研究[D];太原理工大学;2004年
3 罗斌;DDS声光锁模技术研究[D];电子科技大学;2003年
4 成华;钕玻璃棒状激光器热容运行方式的理论和实验研究[D];四川大学;2005年
5 何金玉;激光对小麦UV-B损伤防护和修复作用的热效应机制初步研究[D];西北大学;2006年
6 孙立辉;强激光与光伏型探测器的相互作用[D];青岛科技大学;2006年
7 陈亚平;青藏高原SBR反应器的热效应研究[D];西南交通大学;2004年
8 冯桂萍;基于齿面粗糙度的齿轮传动热弹流润滑研究[D];太原理工大学;2005年
9 朱志武;多点泵浦掺镱双包层光纤激光器输出特性的理论分析与数值模拟[D];国防科学技术大学;2005年
10 黄剑平;蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制[D];厦门大学;2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;美固态激光器获突破性进展[N];中国国防报;2009年
2 张海波 艾浩 本报记者 金龙;政策热效应的冷思考[N];黑龙江日报;2005年
3 单士兵;大学生“考证热”的市场“热效应”[N];人民日报海外版;2003年
4 本报记者赵文侠;改编热,注定引来“热效应”?[N];北京日报;2003年
5 孔章圣;洋超市缘何热效应不减[N];江苏经济报;2000年
6 本报记者 刘蛟;第十年的“特刊”热效应[N];中国纺织报;2006年
7 张来用 田伏长;创新带来热效应[N];中国保险报;2002年
8 本报特约评论员 陈海荣;热效应 冷思考[N];医药经济报;2003年
9 张海波 艾浩;政策“热效应”的冷思考[N];黑龙江经济报;2005年
10 记者 孙占稳 王玉亮;中科廊坊科技谷凸显“热效应”[N];河北日报;2007年
 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