连续波DF/HF化学激光器新型增益发生器的理论设计

【摘要】： 增益发生器的设计是连续波DF／HF化学激光器的核心技术之一。本文在二维CR(Chamber—Radon)程序研究的基础上，采用有限体积方法和完全隐式的耦合算法，通过求解带Realizable K-ε两方程湍流模型的多组分、有反应的三维完全纳维埃—斯托克斯(N—S)控制方程，建立了一套能够对复杂形状的三维喷管和光腔进行数值模拟的三维程序，解决了连续波DF／HF化学激光器增益发生器设计缺乏三维数值模拟工具的问题，并用该工具解决了CR程序无法实现的HYLTE等复杂三维喷管流场的理论模拟问题。该程序还可应用到氧碘激光器(COIL)、泛频HF、全气态碘(I)等其它化学激光体系。另外，本文还讨论了新型喷管设计理论、思路和工程化等相关问题。 新建立的三维程序在高质量网格、合理的初边值以及模拟方案基础上，采用振动非平衡—转动平衡模型和有限速率方程表达的111个单向基元反应的化学动力学模型，利用分子运动理论计算的输运系数和工程实验采用的滞止参数，对运转(NF_3+H_2+He)／D_2燃料体系的DF激光器的HYLTE喷管和光腔进行了数值模拟分析。讨论了该类喷管的流场特征、组分分布特点、总压损失特征、反应区流场参数和反应流混合机理，并对小信号增益系数、F原子利用效率和反应放热进行了计算。这些结果对于优化HYLTE喷管的参数设计和加强HYLTE喷管的概念理解都具有指导性的意义。也是包括美国TRW公司的直接模拟蒙特卡罗(DSMC)文献报道在内的极少数模拟结果之一。 利用建立的三维模拟程序，对本文设计的新喷管——喉部引射注入的高超音速喷管(HYTEN)和光腔进行了数值模拟。重点对喉部引射主喷管和燃料副喷管的不同结构、滞止参数进行探讨。研究了喉部引射主喷管的流场特征、主喷管等效的三喷管分离方法和不同参数的引射结果以及相关的工程问题；同时还研究了HYTEN的流场特征，不同副喷管间距、注入角度和总压对流场参数的影响。对一种初步确定的HYTEN喷管参数对应的反应流场进行了数值模拟。这些结果为HYTEN喷管的工程设计、优化和概念验证提供了基本的物理图像。 在三维程序的验证方面：结合二维CR程序，分析了不同化学反应动力学模型对应的计算结果，对三维程序的动力学模型确定和结果分析起到了很大的指导作用；针对采用HYLTE喷管的单喉道激光器(STL)进行了问题分析、数值模拟和 目录＆缩写＆摘要 一 实验验证。实验结果定性地验证了本文程序模拟结果的可靠性。 利用二维＊R程序，研究了单喷管型面对F原子冻结效率等参数的影响： 研究了二维平面对称喷管（2SLO）的反应流混合机制和混合角对激光器性能的 影响；对比研究了ZSLOT和三狭缝平面对称喷管OSLOT）流场和增益特征。这 些工作对理解喷管光腔气流特性的要求以及新型喷管设计思路都具有重要意义。 从增益系数、输出功率和激光效率的基本模型公式出发，逆推得到了DF／HF化 学激光器性能对光腔中F和D。川。反应区流场参数的依赖关系。给出了反应区流 场参数的要求，为本文进行DFMF化学激光器的喷管设计提供了理论依据。结 合喷管设计的工程问题和气动新技术，在分析HYLTE喷管缺点的基础上，对三 种新喷管HYTM、HYTM和 HYTTN进行了概念设计，从而为工程上使用性 能更好的喷管器件提供了基本前提和研究方向。 喷管器件研究的最终目标是要在工程上实现高性能喷管的应用。为此，本文 在新型喷管数值模拟和概念设计的基础上，也探讨了喷管工程化的相关问题，主 要包括用于新型喷管筛选、按比例放大研究的实验平台和相关的诊断手段。从概 念上设计了一台能完成新型喷管工程化研究需要的DF／HF化学激光器装置，探 讨了一种能完成各种参数实验的喷管叶片封装方案；研究了按比例放大问题，重 点对燃料供给管路进行了讨论；对喷管的结构应力进行了简单分析；设计了增益 测量的一种简易替代装置。这些工作将为新型喷管工程化提供可行的实验方案。