基于OpenFOAM的氣動激光器噴管非平衡流數(shù)值仿真平臺開發(fā)及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來氣動 CO2激光器由于在激光推進和小型化高功率激光器等領(lǐng)域有了新的應(yīng)用前景而重新受到關(guān)注。本文針對研制高性能氣動 CO2激光器的需求，開發(fā)了激光器噴管非平衡流的數(shù)值仿真平臺，并進行了相關(guān)的應(yīng)用研究。
　　對OpenFOAM沒有提供的輸運模型和湍流模型進行了底層開發(fā)，在此基礎(chǔ)上編寫了預(yù)混/混合型氣動 CO2激光器噴管非平衡流的求解器及相應(yīng)的前后處理程序，建立起完善的數(shù)值仿真平臺。
　　首先從耦合弛豫動力學(xué)的流體控制方程組

2、出發(fā)，推導(dǎo)了影響弛豫過程的特征量，通過對預(yù)混型氣動 CO2激光器噴管內(nèi)的流動參數(shù)、振動參數(shù)以及特征量的深入分析，揭示了噴管的“宏觀”小信號增益參數(shù)與“微觀”的流動和弛豫過程的關(guān)系：流動參數(shù)的分布決定了各個過程弛豫時間的分布，進而影響了平均振動量子數(shù)空間變化率的分布，從而改變了弛豫過程；弛豫過程反過來通過向平動轉(zhuǎn)移能量而對流動過程施加影響。在此工作基礎(chǔ)上研究了噴管的宏觀工作參數(shù)通過影響噴管內(nèi)“微觀”弛豫過程進而改變噴管“宏觀”增益場性能的

3、影響機制，提出了噴管工作參數(shù)的優(yōu)化方向。最后對MLN噴管和ALN噴管在預(yù)混型氣動CO2激光器上的應(yīng)用效果進行了對比研究，揭示了它們性能差異的內(nèi)在因素并在此基礎(chǔ)上對ALN噴管型面進行了改進。結(jié)果表明ALN噴管可以在調(diào)整噴管型面時做到只改變噴管弛豫特性，而不改變噴管的氣動特性，從而達到優(yōu)化噴管增益場的效果。目前氣動激光器上應(yīng)用的噴管幾乎都是純氣動條件下設(shè)計的，ALN噴管設(shè)計方法給耦合弛豫過程的噴管型面優(yōu)化設(shè)計帶來了希望。
　　針對新近