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燃烧驱动DF/HF化学激光器压力恢复若干问题研究

唐力铁  
【摘要】: 燃烧驱动DF/HF化学激光器在军事和工业领域有着比较广泛的应用。为了便于使用,减小激光器系统的体积成为了设计追求的重要目标。因为压力恢复系统在整个化学激光器中占有较大的体积,所以,研究化学激光器中与压力恢复相关的问题,设法提高激光器的恢复压力,这样就可以减少对激光器后部压力恢复系统的要求,从而减小系统的体积。这就是本文研究意义所在。 首先,本文介绍了燃烧驱动DF/HF化学激光器的基本结构,主要讨论了压力恢复系统的基本原理。在此基础上,用简化的一维模型研究了引起激光器总压损失的几个要素,它们是:喷管的粘性损失,光腔内的放热化学反应。研究的结果表明,提高喷管出口马赫数有利于减少这些因素导致的总压损失。本文还利用了一维气体动力学理论对整个激光器包括压力恢复系统进行了建模估算。估算的结果表明,对压力恢复系统影响最大的参数就是光腔入口静压力。 其次,本文利用CFD技术模拟了光腔流场,研究了几种喷管的总压损失特性。研究结果表明,对于平面对称喷管,减小喷管长度,增加喉道高度有利于减少总压的损失。用CFD技术对光腔段的模拟表明,采用小尺寸喷管,并且在基区大量注入氦气有利于激光器压力恢复。 在本文最后,根据以上研究的结果,提出了“基区非匹配压力引射结构”。这一结构的特点是,它能够在提高光学谐振腔的平均静压力的同时,建立出有利于出光的局部低压区。本文用CFD技术对它的稳态和启动的瞬态流场进行了模拟,并实施了实验。实验结果表明,在引射出口静压力达到可以产生局部低压区的情况下,可恢复压力达到了一个大气压。这个实验说明了基区非匹配压力引射结构有着很高的压力恢复性能。 另外,在本文的研究过程中,我们还提出了一种新的算法—元素扩散方程和化学平衡热力计算的方法。这种方法的优点在于,它可以避免在求解低速反应流场中出现的由于化学反应引起的方程刚性问题。这种方法正好适用于计算化学激光器的燃烧室的内流场。


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