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激光等离子体相互作用机理与大气吸气式激光推进数值计算研究

鄢昌渝  
【摘要】: 本文以大气吸气式激光推进光船为研究对象,采用数值计算方法对激光作用下等离子体吸收波的形成和演化机制与光船工作过程进行了研究。 建立了不同条件下的控制方程组,计算了各空气组元的初始密度。对激光推进中热化学非平衡/平衡流的物理化学模型进行比较分析,在热化学非平衡流中选择了Park建立的三温度11组元空气化学反应模型,在热化学平衡流中选择了Gupta建立的高温平衡空气模型,并分析了相应的能量交换模型、输运模型等。 分析了有限差分NND格式和有限体积NND格式,讨论了热化学非平衡流计算中的耦合法和解耦法,研究了求解化学反应源项和能量源项的点隐式方法,并给出了求解无粘通量项的LU-SGS隐式方法。 探讨了数值计算中的等离子体点火模型。采用三温度11组元热化学非平衡空气模型,考虑了激光在等离子体中的逆韧致吸收和共振吸收机制,用有限差分NND格式对控制方程组进行数值离散,编制完成了相应的一维计算程序,耦合计算了一维平面波、一维柱面波和一维球面波条件下等离子体吸收波的形成和演化机制。详细研究了等离子体吸收波中各种参数的变化情况。研究中发现一有趣现象,在聚焦条件下,随着等离子体吸收波向前推进,最大电子数密度将减少而最大电子温度将增加。根据等离子体吸收波的结构特征,提出了两种计算激光能量沉积过程的简化模型:1)电子数密度限制器模型;2)等离子体吸收波波速模型。 基于电子数密度限制器模型,数值计算了激光推进光船工作过程。为了提高计算效率,采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算激光能量在等离子体中的沉积过程,并用平衡空气模型求解激光结束后的后续流场。将组分生成项和能量源项与流动控制方程组进行解耦计算,对控制方程组采用有限体积NND格式进行数值求解,编制完成了相应的二维计算程序。研究了热化学非平衡/平衡空气模型的转换时刻,发现热化学非平衡效应对光船推进性能有重要影响;对Schall的光船实验进行数值模拟,所得数值计算结果与实验结果吻合;研究了单脉冲能量、脉冲宽度等激光参数对光船推进性能的影响。 将等离子体吸收波波速模型推广到球冠等离子体吸收波波速模型和二维等离子体吸收波波速模型,结合高温平衡空气模型,实现了不同激光入射条件下激光推进光船工作过程数值模拟,编制完成了相应的二维计算程序。研究了速度系数对流场参数和光船推进性能的影响,分析了聚焦后激光具有二维分布特征时的流场特性,发现激光空间分布可能对流场具有重要影响。


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