高功率軸快流CO2激光器氣體流場及熱交換的模擬與優(yōu)化.pdf

1、軸快流CO2激光器是目前大功率激光工業(yè)加工應(yīng)用的主力光源，隨著加工工業(yè)的發(fā)展，不僅要求激光器具有更高功率，而且要求具有體積小、重量輕的緊湊結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于氣體循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，其核心在于熱交換以及流場的優(yōu)化。本文針對高功率軸快流CO2 激光器的熱交換以及流場特性對激光器實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的激光輸出以及長時間運行穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，將氣體循環(huán)系統(tǒng)分成了四個主要區(qū)域，就決定熱交換過程以及流場分布的三個關(guān)鍵區(qū)域：放電區(qū)域、熱交換

2、區(qū)域、風(fēng)機(jī)入口流道區(qū)域進(jìn)行了分析研究。論文的主要研究工作如下：
　　 ⑴研究了軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)的第一個關(guān)鍵區(qū)域—放電區(qū)域內(nèi)部流場的優(yōu)化方法。比較了不同入流噴嘴偏轉(zhuǎn)角度的放電管數(shù)值模擬結(jié)果，主要將分析重點放在沿管長方向上的速度和湍流強(qiáng)度分布，以及橫截面上的速度和湍流強(qiáng)度分布上。可以看出工作氣體的渦流在陽極區(qū)是有利的，但在直管段要盡量抑制；入流噴嘴偏轉(zhuǎn)45角，可以實現(xiàn)管內(nèi)最利于穩(wěn)定輝光放電的氣體流動狀態(tài)，既在陽極區(qū)產(chǎn)生

3、強(qiáng)湍流流動，又保證了直管段均勻、穩(wěn)定的流動。為了提高放電管的輸出功率，將管徑由19 mm增加到23 mm，需要通過合理的設(shè)計來消除流道變大帶來的流動不穩(wěn)定性影響。通過比較不同入流噴嘴尺寸設(shè)計的23 mm 放電管的內(nèi)部流場分布，得到了優(yōu)化設(shè)計的原則，即放電管管徑和入流噴嘴直徑存在一個最佳的比值R=1.5最優(yōu)，增加放電管直徑時需要按照此比值來確定入流噴嘴尺寸。并且進(jìn)一步研究了入流噴嘴尺寸對于氣體流場分布均勻性和穩(wěn)定性的影響。
　　

4、⑵針對激光器熱交換過程的特點，比較了適用于軸快流CO2激光器的各種換熱器的主要特點及優(yōu)劣，并最終選擇了矩形翅片管式換熱器作為所研制激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)中的熱交換部件。并以7 kW 軸快流CO2激光器為例，給出了此類換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、換熱能力以及流阻計算的傳統(tǒng)經(jīng)驗公式方法，通過這種方法設(shè)計的熱交換設(shè)備已經(jīng)運用于所研制的7 kW 軸快流CO2激光器，效果良好，在輸出功率達(dá)到8 kW以上時也能很好的滿足換熱需求。
　　 ⑶研究了軸快流

5、CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)的第二個關(guān)鍵區(qū)域，熱量交換區(qū)域的數(shù)值模擬方法。通過分析軸快流CO2激光器內(nèi)部熱交換過程的特點，得到了幾何模型、物理模型以及數(shù)學(xué)模型簡化和近似的方法，進(jìn)行了氣體流場以及熱交換過程的數(shù)值模擬的仿真。比較數(shù)值模擬的結(jié)果與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果，得到了較好的一致性：換熱量相差3.5％、壓力損失相差僅2.9％，驗證了本課題采用的數(shù)值模擬方法是合理且符合實際情況的。通過分析、比較不同管排布置的換熱器數(shù)值模擬結(jié)果，得到了換熱器內(nèi)部

6、流場的分布特點：壓強(qiáng)損失與沿氣體流動方向上管排數(shù)的增加而增大；管子迎風(fēng)側(cè)換熱效果最好，背風(fēng)側(cè)換熱效果最差，為了提高換熱器換熱效果，要盡量抑制背風(fēng)側(cè)的死區(qū)。根據(jù)以上特點，為4 kW 軸快流CO2 激光器選擇了最為合理的管排布置，保證了所需的換熱量，也滿足了壓阻盡量小的設(shè)計原則。解決了激光器的熱交換設(shè)備設(shè)計計算繁瑣且靈活性不高的問題，為其提供了準(zhǔn)確、高效的新方法。
　　 ⑷研究了軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)研究的第三個關(guān)鍵區(qū)域，風(fēng)

7、機(jī)入口流道區(qū)域。分析了熱交換過程以及流場分布的數(shù)值模擬方法，計算得到了區(qū)域內(nèi)部氣體流場的詳細(xì)分布。首先針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計算結(jié)果驗證了數(shù)值模擬的合理性，根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場分析可以得到優(yōu)化設(shè)計原則：進(jìn)口氣體的速度和溫度都較高，因此入口端需要保證足夠大的空間，以利于高速高溫氣體充分?jǐn)U散到換熱器的整個翅片區(qū)域；風(fēng)機(jī)出口的渦流區(qū)域，導(dǎo)致了出口端流動阻力增加，壓強(qiáng)降低也比較明顯，因此，出口端盡量不要有障礙物遮擋，以免增加壓阻。根據(jù)

8、此原則，設(shè)計了緊湊型的風(fēng)機(jī)入口流道結(jié)構(gòu)。通過分析比較兩個典型的緊湊型流道結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果，為所研制3 kW 軸快流CO2激光器確定了最優(yōu)的風(fēng)機(jī)入口流道結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的緊湊型結(jié)構(gòu)不僅比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)省了34％的空間，流阻減小了6％，并且可以實現(xiàn)3.6 kW的激光輸出，最高電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.4％。論文的研究工作，改進(jìn)了傳統(tǒng)只能采取經(jīng)驗和試錯的軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方法，為熱交換以及流場的優(yōu)化設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，縮減了設(shè)計周期、節(jié)