连续波HF化学激光器环柱型增益发生器研究

【摘要】：环柱型HF化学激光器是目前世界上连续波输出功率最高的激光器。环柱型增益发生器是环柱型化学激光器的核心部件。本文围绕环柱型增益发生器开展了数值模拟、理论设计和实验研究。 结合最小自由能法及质量流量守恒原则,推导了喷管喉道F原子摩尔流量面密度公式,给出了燃烧室的一维分析方法,对HF化学激光器燃烧室的NF3-D2-He体系的化学平衡组分进行了计算,研究了各输入气流的流量调节对燃烧室总温、总压、F原子产率等的影响。燃烧室压力的变化趋势与实验结果相同。利用环柱型增益发生器的三维数值模拟理论模型,对增益发生器中的分流管道、喷注器及燃烧室、主喷管、耦合段及光腔区的流场进行了三维的数值模拟研究。分析了单端、双端不同供气方式下热壁面对分流管道流场特性的影响。对环形与线形分流管道的进行了对比分析,发现支管分布在外侧圆弧上的环形分流管道的支管流量差异幅度最小,在均匀分配气流方面最具优势。结合旋涡耗散模型及Arrhenius化学反应速率系数来描述燃烧室内的化学反应,对燃料组合分别采用F-O-F、O-F-O的三股互击式喷注器及燃烧室的冷流场及有反应流场进行了三维的数值模拟研究。计算结果表明,对于一定的燃料配比和燃烧室特征长度,O-F-O的喷注方式可使燃烧室出口的F2解离度提高13.5%,实验结果也证实了这一结论。对不同收缩段线型的主喷管开展了数值计算,发现采用圆弧与直线的组合曲线设计的主喷管的气流总压损失略大一些,但在喷管出口处F原子的复合比例较低,且这种主喷管相对易于加工,可降低加工成本。在考虑燃烧室壁面热损耗的条件下,对环形HYLTE喷管的耦合段及光腔区的流场进行了三维的数值模拟研究,得出了光腔区小信号增益系数分布,光谱测量结果及移动光轴实验证实了计算模型的合理性。以上数值模拟结果为后续环柱型增益发生器的设计和实验提供了指导。 设计并搭建了1/4环柱型增益发生器的实验平台。给出了激光器各输入气流流量的计算方法。利用数值模拟方法研究了不同背压下文氏咀的流场特性,为合理设计文氏咀参数,准确监控文氏咀的工况提供了参考。对环形HYLTE喷管进行了合理的简化设计。确定了环形喷注器和环形HYLTE喷管的加工方案及工艺流程。 按设计流量进行了出光实验,功率计探测到的出光功率在60W左右。实验中测量了燃烧室温度及压力。与Alpha激光器HL911-3实验数据类似,燃烧室温度及压力都存在一个爬升段。静压的测量值与数值模拟的计算值差别在1%以内。环柱型增益发生器沿角向扩张的特点使得光腔区压力很低,仅为0.5kPa左右。流量调节实验发现后He流量改变时,激光器的功率变化及点火稳定性等明显优于主He流量改变的情况。为验证环柱状增益区的有效形成,对3对取光孔分别进行了出光实验,结果表明每对取光孔都有功率输出,证明设计完成的增益发生器运行正常,有效形成了环柱状增益区。各项实验数据表明:实验装置设计合理,工作参数运行正常,器件能够在高温、强腐蚀环境中保持良好的密封性能和力学性能。