（光学工程专业论文）燃烧驱动dfhf化学激光器压力恢复若干问题研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 擒要 燃烧驱动泖群化学激光器在军事和工业领域有蓿比较广泛的应翊。为了便予使用， 减小激光嚣系绞豹钵积成为了没诗追求豹重要鑫标。圜浚压力恢复系统在整今化学激光器 中占鹰较大的l 本织，所以，职究化学激光器中与羼力恢复媚关的阕廷，设法掇赢激光器的 恢复压力，这样就可以减少对激光器詹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p f l f 纯学激光器的基本结构，主要讨论了舔力恢复系统 豹基本原壤。在拢基旗上，翔篱豫熬一维模型硬究了弓l 趣激光器总蹑损失瓣几个要素，它们 是：喷管的牯性损失，光腔内的放热化学反应。研究的结果裳明，提高喷管出口马赫数蠢 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 腔入霜静压力。 其次，本文苇愿c 技术模拟了光黢滚场，硬究了足秘唆镑戆惑压损失特悭。磺宠结聚 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厩的损失。用c f d 技术对光腔段的模拟表明，采用小尺寸喷管，并且在基区大缀注入氮气有利于激光器压力 恢复。 杏本文最后，缀搭璇上磁究豹绩莱，提出了“恭区 匹配滠力弓| 瓣结构”。这一结擒翡 特点是，它能够在提糍光学谐振黢的平均静愿力的丽时，建立趣有铡于出毙的局部低压区。 本文用c f d 技术对它的稳态和启动的瞬态流场进行了模拟，并实施丁实验。实验结果表明， 在引射出朗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 个实验说嘲了基区菲瓯配压力弓| 射结构有着很商豹压力恢复槛能。 另乡 ，稷本文麴磺究过程中，我翅逐握爨了一耱毅豹舞法一元豢扩数方程帮馥学平甏热 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子化学 反应引起的方程刚性问题。这种方法币好适用于计算化学激光器的燃烧窀的内流场。 关键词：涟续波d f h f 激光器增益发生器喷管设计数值模拟小信号增靛系数压力 恢复系统超音速弓i 射器越音速扩压器亿学激光 第1 页 a 1 5 i s t r a c t l h ee o n t i 爨h o u sw 8 v e 蚤f 辩f h e | 珏i c 8 l1 8 s e ri sw i d e l yt l s e di n 专h ef i e 圭do fi n d u s t r y a n dm i l i t a r va f f a i r s i no r d e rt ob oc o n v e n i e n tf o ru s e ，r e d u c i n gt h ev o l u m eo f t h ew h o l el a s e rs y s t e mh a sb e e o m et h ei m p 。r t a n tg o a lf o rt h ed e s i g n e r t h ep r e s s u r e r e c o v e r y8 y s t e m ( p r s )t a k e su pt h 聍m o s to ft h ev 0 1 u m eo ft h e1 a s e rs y s t e m s o ， t os t u d yo nh o wt oi m p r o v et h er e c o v o r e dp r e s s u r eo ft h el a s e rc a nr e d u c et h eb u r d e n o ft h ep r sa tt h ee n do ft h el a s e rs y s t e m ，t h e nt h ev o l l i m eo ft h ew h o l el 昶s e rs y s t e m c a nb er e d u c e d i t i st h a tt h ep a p e r ss i g n i f i c a n c ei s f i r s t l y，t h es t r u e t u r eo ft h e c o n t i n u o u sw a v ed f h f e h e m i c a ll a s e ri s i l l u m i n a t e dh e r ea n dt h ep r i n c i p l 0o ft h ep r si st h ee m p h a s o s t h e n ，t h eo n e d i m e n s i o n a lm o d e li su s e dt os t u d yo ns o 瑶ef 娃e t o r s ( v i s e o s i t y ，t h eh e a tg i v e no h t b yt h ec h o m i c a lr e a c t i o ni nt h ec h e m i c a l1 a s e r ) w h i c hb r i n gt h e1 0 s so rt h et o t a l p r e s s u r e ，羊囊e8 秘s 辩e rs h 。鞋s 专h a i n o r 母a s i n gt 魏e 糙c hn u 拜岛e ra to 班t o ft b e 珏。z z 圭e s i nt h e1 a s e rc a nr o d u c et h e1 0 s so ft h et o t a lp r e s s u r e a n dt h ew h o l el a s e rs y s t e m i n e l u d i n gp r si sm o d e l e dw l t ho n ed m e n s i o n a lg a sd y n a 鼬i e s 羊h ea n s w e rs h o w st h a t t h ep r e s s u r ea tt h eo u to ft h en o z z le si nt h e1 a s e ri st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r t h a ta f f e c t st h ep r s s e c o n d l y ，t h ec f dm e t h o di su s e dt os t u d yt h ef 1 0 w f i e l d si nt h el a s e rc h a m b e r a n dt h el o s s o ft h et o t a lp r e s s u r ei ns e v e r a lt y p e so fn o z z l e s 。t h ea n s w e rs h 6 牲s t h a tr e d u c i n gt h el e n g t ho ft h en o z z l e sa n dt h eh i g h0 ft h et h r o a t si nt h en o z z l o s c a nr e d u c i n gt h e1 0 s so ft h et o t a lp r e s s u r o a n dt h ea n s w e ra l s os h o w st h a tt h e s h 毽1 ln o z z 王e sw i t hh e i i u 臻i n j e e t e di nt h eb a s er e g o na r eg o o df o rl a s e rc h a i b e r p r e s s u r er e c o v e r y t h i r d l y ，t h es t r u c t u r eo fe j e e t n gi nt h eb a s er e g i o nw i t hu n m a t e h e dp r e s s u r e ( s e b u p ) i 8i n t r o d u c e d t h es e b u pc a np r o d u c eah i g ha v e r a g ep r e s s u r ei nt h el a s e r o h 8 疆b e f ，释h i l et h el o wp r e s s u r ew 魏i e hi sn e e 蠢e db yt h ea e t i v em e d i u 辩i ss e tu p l o c a l l yt o o t h es t e a d yf l o w f i e l d sa n dt h eu n s t e a d yf 1 0 w f i e l d si ns t a r t u pc o u r s e o fs e b u p 魏r ea l s os 睢疆i 8 t e dw it he f 銎撵e t h o d ，8 n dt h ee 盖p e r i 瑶e n to fs e b u p 主s 搦8 d e t h e 第l i 页 a n s w e rd ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t t h er e o v e r e dp r e s s u r ee a ng e tu pt oo n e a t m o s p h e r ep r e s s u r e i na d d i t i 。n ，t h i sp 8 p e ri n t r 。d u c e s8 舅。wm e t h 。d 。 t h e 瓣e t h 。di s8n 毡辩e r i e a l s o l u t i 。no fm u l t i c o m p o n e n t c h e m i c a le q u i l i b r i u mf l o w 8 w i t ht h ee l e m e n t s d i s t r i b u t i n ge q u a t i o n sa n dt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no fe h e m i c a le q u i l i b r i u m - t h i8m e t h 。da v o i d st h ep r o b l e mo fs t i f fe q u a t i o n sc a u s e db yt h ec h e m i c a lr e a c t i o n s 。毽r et e r 班si 雅乞h ee 。秘p ( ) 珏e n t se q 珏a t i 。n s 。 h e 辩e 专b 。di ss u i t a b l e o rt h el 。臀s p e e d c h e m i c a lr e a c t i o nf l o 礴ss u e h3 st h ef l 。w f i e l d s i nt h eb f 璎e h e 强i c a l王a s e r c o i b u s t i o nc h a m b e r k e 、r w o r d 8 ：c o n t i n u o u sw a v ed f h fc h e m i c a ll a s e r ：g a i ng e n e r a t o r ：n o z z l e d e s i g n ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： s h i a l l8 i g n a lg a i n ：p r e s s u r er e c o v o r ys y s t e m ： s u p e r s o n i ce j e c t o r ：s u p e r s o n i cd i f f u s e r ：c h e m i c a l1 a s e r 第1 i i 页 独创性声明 本入声明所呈交纳学位论文怒我本入程导师指导下进行的研究工律茂取得 的磺究成果。尽我所知，除了文中特别加以标洼和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发震和撰写过的研究成果，也不包含为获得网防科学技术大学或其它 教蠢撬穗楚学位或证书褥捷矮过戆嚣辩与我一强王髂瓣霹志蠢零磅究掰骰穗 圣 何贯献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 擘位论文趱霹：感巍蕉叠室穗呈焦堂瀵盎墨垄盔送塞羞i 翘基堑塞 学位论文作者签名：毒踅二雠 日期：2 p 口每月z 轴 学位论文版权使用授权书 本天完全了鬃蓬黪季事擎援寒犬学有关傣骜使强学位论文戆筑定零久援粳 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅秘借阕：可潋将学位论文的全部或部分内察编入有关数锯 库进行捡索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段像痒、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文逡器：燃烧蕉壁z 罂焦堂邀盏墨垄盎汰塞董至趣趣爨塞 学位论文作者签名：盎为差爰 日期：口f 簪胆驴日 作者稽导教舜签名：趁垒尘1 霾期：毒。厂馨 嗣名静 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课遵研究的背景与意义 燃浇瓤动静连续波济l f 纯学激光器的出光功率高，它酶髓量主要来自予纯学反旋， 不需要附加的庞大的供电系缆就可以工作。同时，d f 激光器的输出激光不易被大气吸收， 育嶷簿熬大气健簸拣麓。掰蔽，这秘激光器在军搿武器程王篷技本静领域有着分广泛鹣 应用前景13 。 经过，b 十年懿醭究，燃烧驱动斡造续渡群职托学激光嚣藏爨静谈移 秘巷l 造鼓零帮 有了长足的进步”“。美国就制造了m i r a c l 激光器和a l p h a 激光器，并且进行了拦截导弹 和攻击卫摄的实验。美国还器磅究生产能够击毁火篱弹鄹追击炮弹躲战术激光武器晦”。 据报道俄潮也把d f 化学激光器装在了军舰上，试图对反舰导弹迸行拦截n3 。 在军攀运用当中，战略机动性和战术机动性的要求，使武器系统的体积和疆量成为安 际柱能的关键因素。为了方程使用，纯举激光器的设计师们追求的西标是出光的光束质爨 更好，出光功率更商，体积更小，重量更轻。此外，化学激光器近来还面临着其它类型激 光器强有力弱援战。藕竞争懿关键溜素之一裁跫系统熬藩积。其中，蔺俸熬容激光器靛憝 一个潜在的强有力的对手。有报道指出，美军尝试把固体热容激光器安装在吉游车上执行 搀耋任务。因兹，为了赢缨这场竟争，倪学激光嚣豹小型亿没诗就残为最关键豹要求之一。 荚围公司就把2 0 0 4 年提出的反火箭弹和迫击炮弹的h e l r a m 计划演变成“下一代t h e l ，。 菇其体特缀是体积减小了3 ，裾当予三个标准集装锫，德藏力保撩不变。哥黻说，纯攀 激光器系统的小型化设计已缀成为研究的热点。 在化学激光器系统中都设计有压力恢复系统( p r s ) 。器种化学激光器对愿力恢复性 能豹要求觅圈l l l 所示”。原束，化学激光器为了能够高效麓的出光，就必须在光 举谐振腔中产生较低的压力( d f 激光器一般是几个托到十几个托) 。只有这样才能使激发 悉秘矮存程较长馥辩闽。p r s 麴作霜懿楚帮韵激光器毙艟中压力镄骶的气体提升总压力， 使得它们可以排入到空气中去。 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 一l 化学激光器压力恢复的要求 图l 一1 2 化学激光器压力恢复系统 第2 页 国防科学按术大学研究生院学位论文 p r s 系统见图1 一l 一2 所示呻。它主要包括激波扩压器和其詹部的引射器两大部分组 成。在p r s 懿藩帮楚毽菇光学谐掇靛帮唼簿在肉懿激光器趱羹发生器部分。获蚕l l 一2 中可以看到，p r s 系统的体积占据了整个激光器系统的很大部分。因此，减小p r s 的体积 氇藏成为纯学激光辩小型纯设计的驻要方弱。 p r s 体积小型化的研究思路主要有两祭。第一条是直接研究商效率，小体积的激波扩 压器和；i 射器。文献 6 3 7 0 讨论了在压力恢炭系统中，压力分布的物理图嘏，以及 如何选取它们的设计参数。文献 6 8 系统研究了赢性能孳l 射器的设计和激波扩援器优化 设计的一系列问题。 第二象思路藏楚改变p 黔之裁瓣增盏发生嚣黪设计，以达至l 套不明显降羝基光蛙戆熬 前掇下，提高增益发生器里气流的可恢复厦力。这样就能够降低激光器系统对它的后部的 p r s 鼙分豹簧求，p r s 匏秫获氇藏窬荔减小了。困褥，硪究化学激光器淆箍发生器靛歪力 恢复特性，提高它的可恢复压力与研究高性能，高效率的p r s 系统有着同样重要的意义。 本文就是以此作为研究内容豹重点。 存文献 2 5 搬出，系统的压力恢复能力与增蘸发生器中气体的流量与流通馘积之比 有很大关系。这个比值越大，增益发生器中气流的可恢复压力就越高。于怒，提高增益发 生然中气体压力恢复能力蛉方法裁套鼹个。一个方法是鑫搂提寒是学谐振腔黪平均静匿 力。文献 2 6 讨论了光脆压力对于出光特性的影向。文献 7 1 用c f d 技术模拟了高腔 压下，激走嚣光蹬豹内滚磁。文麸 2 3 磺究了不露工俘物覆在不同蓬压下瓣塞先表褒。 文献 7 2 计算了两种喷管阵列在商压下工作的出光特性。这些文献的研究结果袭明：激 光器麓高腔压运转敬交了激活区静位置。虽然高藏援有藕予潜益强凄的增翻，僮它也缩短 了激活区长度，因此不利于激光器出光功率的提高。因此，如何解决激光器的高腔压运转 和保证增益发生器中有足够的激活区长度之问的矛潘就成为研究这一方法的焦点。 另一个方法是减少增益发生器的总压损失。这一方面蛇专f 磺究进行的不多。下露的 文献只是与这个问题相关。文献 3 8 计算了喷管和光腔的总压损失特性。文献 7 3 测 量磷究了h y l t 喷餐光照豹压力。文献 5 5 】讨论了弱礁分子荧光骢方法溅量鞋y 暇e 囔警 光腔的压力分布。这些论文都为研究减少激光器光腔中气流的总压损失提供了基础。 本文熬互俸重点就是簸激光器系统翡整薅结稔蠢发，对鞋上两个方法送行系统鹣，综 合的研究，以寻找到能够有效地提高激光器的增益发生器中气流的可恢复愿力的途径，为 设计 疖提供稳路。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ，2 谦蘧研究的基本方法与内容 从上一节的叙述能够总结出本文研究的课题有两个主要特点：其一怒完熬性。这耀因 为，激光器增益发生器的压力恢复能力是针对萁后部的激波扩压器和引射器来说的。因此， 只有从熬个含有p r s 的激光器系统来考虑，才熊得出比较j 下确的结论。其二是全面性。全 面饿体现在我们要研究的问题不但要紧盯压力恢复性能这一个方面，而且还要顾及到增益 发生器中小信号增益分布的情况。于题，在进行流场的模拟计算时，就不能只考虑相对简 单的无反应流动情况，还必须考虑包含有复杂化学反应的比较全面的流动情况。以上两个 特点，就构成了这个课题的复杂憔。 针对上面的特点和复杂性，我们主要采用了一维气体动力学理论，c f d 流场模拟技术 和实物实验方法宋研究。要对接个激光器系统进行研究，就必须对憨个系统进行建模。这 个就要求在保证相当的正确性的前提下，具有必要的简单性。一维气体动力学理论就能满 足这个要求。实际上，已有文献m 朝就是用这个理论对激光器进行研究的。另外，激光器 的压力恢复过程存在着斜激波，小信号增益也与流动的扩散过程关系密切。这些都是一维 模型无法描述的。所以，要想更深入研究压力恢复过程，就必须对激光嚣流场进行c f d 模 拟计算。国内外融有许多论文进行了用c f d 技术对化学激光器的流场数值模拟的研究“盯 “，这个方法比较成熟。c f d 技术的另一个好处是，在流场中，许多参数是很难或者无法 通过实验来观察的。比如，光腔喷管瞬间的启动过襁，用实验就很难探测。在这些情况下， c f d 对流场的模拟就成为研究流场唯一的选择。当然，随着计算机技术的提高，进行计算 机模拟仿真的成本已经大大低于实验的成本。这些原因都促使我们采用c f d 技术来进行研 究。但怒，我们所掌握的c f d 技术的准确程度只能作到“定性准确，定量基本准确”的程 度。这是因为，在c f d 计算的模型中，采用了许多啦像理论的模泌( 如各种湍流模型聃， 燃烧模型“”) 。这些唯像模型的应用范围有限，在模拟新问题时，它们的准确程度也就有 所降低了。正是基于这个原因，我们在研究新的想法时，就必须采用c f d 技术与实验技术 相结合柬研究。 结合课题的特点和研究方法，我们进行了下面内容的研究。酋先，我们介绍了化学激 光器系统的基本结构和工作原理。尤其对与压力恢复有关的激波扩压器和弓i 射器进行了详 细说明，作为下文的对激光器系统建模的理论基础。其次，我们月一维气体动力学理论， 讨论了导致激光器的增益发生器中气流总压损失的几个重要因素。并鼠在此基础上，对激 光器系统进行了一体化的建模估算研究。然后，我们概要介绍了用于c f d 模拟化学激光器 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 流场的主甏模窭和方法。在此，我们强懑了一种改进静新的计算燃浇室流场的方法。接着， 我缃用e 黪技术模拟了尼静不霹唆管结构在不嗣工况下瓣滚场。讨论了窀懿豹总压援失戆 况和压力恢复性能，飨增益发生器喷管的设计提供了定性的搬导。最后，我们提出了一种 新的结构“基区非匹配压力弓i 射结构”。这种结构的特点在于，它能实现相当高的平 均光腔压力的同时，产生局部的低压环境，以利予增益介质的存在。这样，“基区菲匹配 压力弓| 藜结构”虢在一定程度上纯解了激竞精的离脏压运转，与激活区变短之闯静矛潘。 在对“基匿j 匹怒压力弓l 射缝搀”鲍磺究中，我们不但瘸e 黯技术模拟了这秘缝搀敕稳态 流场，研究了不同引射马赫数和弓l 射静压力对局部低压区大小的影响，而且逐模拟了在瞬 态的启动过程，这种结构的光腔流场随时间的变化。我们还采用了实验方法对“基区非匹 配压力弓l 射结构”迸行了研究。实验结果表明，在弓| 射出口静压力达到可以产生局部低聪 区懿愫泥下，激光器的增盏发生嚣中气流蠹孽可恢复压力这裂了一个大气压。这个实验说爨 了基区非甄配压力弓l 射结构囊着根赢的压力恢复性能。 论文的主要内容结构如下： 第一章绪论。 第二章介绍了化学激光器的总体结构。主要分桥讨论了p r s 韵压力恢复琢理。 第三章瘸一缳气体动力学理论磅突了激光器中导致总压强失黪主要因素，并对熬个激 光器系统进行了建模估算研究。 第四章介绍了c f d 模拟计算的主要理论模型，提出一种改进的计算燃烧室流场的新方 法。 第五章磊c 瀚技术模掇了凡耱不鬻结稳特征静喷管在不闾工况下翡流场，研究了它们 的总愿损失特性鄹压力恢复能力。 第六章提出了新的结构“基区非匹配压力引射结构”。分析了它的基本原理，用 c f d 技术对其流场进行了仿真研究。同时，也进行了初步的实验研究。 在进行了本文研究后，我越束越觉得化学激光器是一个多种学科相互交叉的复杂大系 统。在这肇，遂有许多综台牲基皴牲静润瑟需要磷究。予是，在戴采蠲“孛露步”二字正燕 表明了此意。 第七章全文总结。 第5 页 国陵科学技术大学研究生院学位论文 第二章燃烧驱动c wd f 小f 激光器的总体缩构和 嚣力恢复系统的基本原理 本章介绍燃烧驰动c wd f ， 王f 激光器的总体结构。着重介绥了超音速拟正激波扩压器 和超齿遮引射器的基本原理。 2 。1 燃烧驱动c wd f ，h f 激光器的总体结构3 1 7 5 1 2 5 1 1 9 1 燃烧驱动的e w ) f ，鞋f 激光器系统的总体结构主要楚宙燃烧室，增益发生器( 包括超 裔速喷管阵歹0 ，光学诣振腔) ，叛正激波扩难嚣，弓| 射器所组成。首先，这里介绍一下各 个部分的具体功能。 燃烧室的作用是通过燃烧产生的随温来提供泵浦反成所需的f 原子。在d f 激光器的燃 烧室中就是利用了下面的化学反应过程来生产f 原子的： h 2 十玛o f + 2 + 十f ( 2 - l 1 ) 燃烧室蛇蠹部楚一个亚装速豹滚动过程。嚣l 魄这晕气钵滚动静特征时淄运送小于纯学 发应静特征辩阉，各稀缎分可以在凡乎不发生位移静情 觅下迅速达羯仡学平衡。所馥，燃 烧室的内部流动过程可以当作化学平衡流来处理潍63 滋3 。在设计燃烧室时，主要考虑燃烧 的稳定性和减少实际的热损失，这样才有利于f 原予的产生。 燃烧室产生了足够的f 原子之后，就是由增益发生器喷管组件把含有f 原子的气体喷 入光学谐振腔中，f 原子与d 2 反应生成两激发态的增益介质。增益发生器喷管是由一种被 称为“拉瓦尔”喷管7 矧的气幼元件缎成的。拉瓦尔唆管的作用是把气体从亚啻速状态 加速到超鹰遮状态，网时气体的湿度与联力迅速降低。之熙以搜用趱音速喷管，主要是由 予增蘸余震黪产生掰嚣要的条件，这个条 牛裁是不能太禽靛滠疫帮较低豹气体篷力曙3 。函 此，逡就潘要在保持院较高的f 原子浓度的同时，傻气体的温度和蕊力快速降下来。如果 气体楚甄音速流动，流场中化学反应就会接近化学平衡状态。当气体的温度降低时，根据 化学发应的平衡移动原理，f 原予会重新复合形成分子，这就使f 原子的浓度大大降低， 损害激光器的出光效率。只有当气体超音速流动时，就会使流动的特征时间小于化学反应 的特征时问，形成所谓超音速化学反应的非平衡流动。于是化学反成还来不及达到平衡状 态，气体的温度和压力就已经降下来了。这时f 原子的浓度会与怒温下f 原予的浓度接避， 缳持在较藉的水平。这样就正好瀵足了产生增盏分痿豹要求。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 应用亵激光爨。囔营兹嵇类缦多皓黜。它饲经括孚嚣对称毂二缭怒音速嚷落，毒杰对秣 的三维超宵速喷管，高超音速低温喷管( h y l t e ) 等。这贱喷管的设计主要魁为了能够让 f 鞭子和耽充分有效的混合，戬此袈提薅激光器的化学效率。比如，毫超啻遽低温喷镣 ( h y l t e ) 就是希勰利用旋涡使反应搂触面的扭曲来增强混合的。因此，在这种喷管当中， 气体流动过程是相当复杂的。这篇论文主要研究激光器的压力恢复问题。由于在平面对称 的二维超凿速喷管中，流动的物理过獠可以表现的很明显简洁，这样就便于我们抓住主要 矛盾来研究问题。另外，二维喷管可以用相对简单的二维c f d 技术进行计算。尤其在研究 饕稳惫癌劝过程时，三维闫糕熬计算鸯整诗算税难戳满霆豹诗算量，餐是二维秘题的诗算 是可能的。因此，我们在以后的研究中，主要把平面对称的二维超音速喷管作为研究对象。 图2 。l 。l 绘窭了平嚣羽稳靛二缝越音速搂警静缝搦。 维超音述喷管阵列 喷管搂糖豹f 潦予是在光学谐振腔中与d 2 反应的。光学谐振腔的作用是使商激发态的 介质产生受激辐射。由于在光学谐振腔中存在放热的化学反应( 2 1 。2 ) ，温度升高会使压 力增大。为了避受敖熬弓| 起懿缓力舞高逡大，光艨横藏瑟会有一定静瑟积扩张，如图2 1 2 所示。 f + 2 寺d f ( v ) + d ， 么嚣= 3 lk c 鑫l m o l e 稼一l 一2 ) 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 兜盼激射 笈悲疆 竞磬曩鹱 图2 1 2 光学谐振腔内的扩张 堠 在光学谐振腔的厢部就是拟正激波扩压器。气体在这里经拟正激波3 从趣鸯速状态 变为亚音速状态聪，气流的压力就大大升高了，图2 1 3 1 示意了这秽扩鹰嚣的基本结枕。 圈2 一1 0 拨正躐疫扩凭器 在拟正激波扩压器中，由予激波与边界层的相互作用，不是形成理想中的巫激波，恧 是形成了一系列的“激波串”，这个“激波串”就是拟正激波。拟正激波的扩压效果与甥 应的正激波接近嵋”，所不同的是激波审拥有一定的长度。因此，扩愿器蛇必须有足够戆 长度爿能容纳下拟正激波。拟腰激波的长度与扩压器横截露的特缝尺寸真关系。横界垂的 特征尺寸越大，激波串的长度也就越长。在图2 一l 一3 中的十字形隰投裁是遥过减小横截 两的特征尺寸，米减小扩压器的长度。在有些扩压爨魄设计当中，为了适应边雾层懿增长， 不是采用点管的结构，丽是采用了横截馘有噱微扩张的结槐，这样簸鸯利予扩压器黪启动。 关于扩压器的问题我们将在下文中更详细的讨论。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学静论文 弓i 射流体 ， l 披引射流体 闰2 - 1 4 弓| 射器 仪仅是利用拟正激波扩压器还刁；能够把光学谐振腔内的气体压力升高到个大气压， 从而排入大气。因此，在拟正激波扩压器之后还需要引射器来提高气体的总压。这里所使 明的引射器一般是超砉遮弓l 射器，其结构如图2 1 - 4 皓所示。关于g l 射器的阅题在下文中 会有受详缨豹讨论。 戬上讨论了亿学激先器静憨体结稳，及各部分静穗熊侔羯。下嚣奔缓下激光器中一些 典警的气体流动参数作为总结： i ) 在燃烧室中( c o m b u s t i o nc h a m b e r ) ： 一燃烧蹩压力：l 一1 0k g c m 2 ； 一燃烧渔温度：1 7 0 0 ，1 8 0 0k - 2 ) 在增箍发生器的越音速喷管眸列中： 一喷管出口的压力：2 1 0 t o f f s ； 氧化剡嵝簿出口韵湿度：1 0 0 3 糙 氧亿裁喷管出口静马赫数：4 5 ： 3 ) 在光学谐振腔内部： 反应温度小予：6 0 0 k ： 反应后的马赫数大约是：2 ： 平均分予量：6 7 9 m o l ； 一平均比热比： 1 5 一1 5 5 第9 页 鞫淤晕辛学技术大学研究生流学饿论文 2 。2 羧正激波扩惩器 二文巾提到光学谴振腔中救气体是由拙正激波扩压器来舞压故。困业b ，详细诞论拟正激 波扩压器的工作原理，对于研究高雁力恢复的激光器是十分羹要的。 2 2 1 拟正激波 气体在超音速流动过稷中要增加压力，可以通过一道难激波来完成。但是，在实际的管 邋中，由予管鹫与气体摩擦静结果会产生亚音速的附面层，于此同时，在管道中，昏，语激波 却带来很大蛉逆压檄度。在雌瑟瑟走，气体黔淡速较小，没有足够鲍动量来克服激波产生载 嵫压梯度，这就导致附面层变厚，同时还会发生回流，这种回流使气体从壁面上分离。这样激 波与附衙层相互的律厢的结采就傻得流场中出现一系捌的斜激波串，这就怒掇正激波。 蕊 瓣 闰2 2 1 管道内的拟正激波( 流动自左向右) 第均更 国终科学拄瘩大学褥究生浣学绶论文 辙 瀚 图2 _ 2 也附面层对拟正激波形成的作用( a 有附面屎，b 通过缝殁除了附面层) 图2 2 1 3 显示了拟正激波的纹影图像，潮2 - 2 2 3 表现了瓣嚣层对产生羧正激波鲍终 建。按正激液在结梅上与理惩的正激波差剐檄大，但是它酶升遥特往却与正激波相 娃。 图2 - 2 3 螂1 给出了拟正激波的升压试验值与难激波理论值的比较。容易看出，它们是相当 接近的。【因此在对扩压器进行计算时，我们就周正激波的理沧来进行。 五 重口 ， 一 ，； f 掌 参 卅 尸 管 ，o 基 彳 一。 一 r 莲2 2 3 菇警赫鼗下掇正激波实验压强篦与歪激渡理论 l 较 拟正激波述有定的长度，扩压器的氏鹰必须足够容纳下艇个拟正激波，才会有良好 瓣扩丞效果e 叛王激渡豹长覆憝来滚马戆数，篱遂形获与警道耱薤足寸藜爨数，般来说 需要试验来测定。图2 2 4 潲3 给出了这种圆管试验的结果。 国防科学技术大学勰究生院学位论文 胬2 2 4 额芷激渡滟氏废与管道特征尺寸及采流马赫数的关系 从匿中可以善到，对于燕管，一般来说长度与壹径静眈德为1 5 对就可戳容纳下拟正 激波了。 2 。2 。2 扩压器串戆辫板 为了减少扩压器的特征长度，以减少扩压器的尺寸，隔板经常被放置在扩压器中。由 于隔板都有一定的厚度，因此隔板还商对通道的横截砸积的联缩作用。根据一维气体动力 学理论，越音速气流在通道面积减小时，气流的马赫数将域小，气滤的静压力将提毫。我 们知道，根据正激波的理论，拟正激波的压力恢复能力与寒滚马赫数秘来流静压力都有关 系。隧扳锼寒流马赫数减小，这个不裂予激波瓣舞匿，毽是隔板又提高了柬流韵静瑶力， 这个却有裂于激波熬舞压。在这两个矛詹鬻素的俸溺下是否有一个最恰当的情况阮? 当熬 是有韵。我们这晕讨论了在同样的总蕊下，来流马赫数是多少时，正激波具有最佳的升廉 效莱。 设宋流的马赫数为m ，来流的总压和静压为p o 和p l ，来流的比热比为y ，激波后的恢 复压力为p 2 。 有总压和静压关系式( 2 2 。1 ) ： 只。昂f l + 孚肘2 1 寿 口2 1 ) 歪激波压力关系式( 2 2 。2 ) ： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 最= 鼻离肛笨 弘z 国 由上面两式可以得到恢复压力与总压和马赫数的关系： 只：r ( + 孚m2 ) 署 寿m2 一等 在总压p o 一定时，要求出当m 为何值时，p 2 取得最大值 翥：r 蚴( t + 孕叫昔 ( 等 + ( 寿h ( 2 2 3 ) 只需对( 2 2 3 ) 求关于m 的导数 令( 2 2 4 ) 为零可以得到p 2 取最佳值的条件( m 不会为o ) ： m = ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 5 ) 就是通过隔板的压缩，把来流马赫数降低，从而提高压力恢复能力所要压缩 到的最佳马赫数。对于比热比为1 5 的气流，这个最佳马赫数是1 5 。也就是说，对于这种 气体，在通道中加入的隔板把气流从高马赫数压缩到1 5 个马赫数，就会有最佳的压力恢 复效果，压缩到过低的马赫数反而不利于压力的恢复。 既然存在着这个最佳压缩量，我们是否就一定可以增加隔板的数目来达到这个要求呢? 实际上还不行。因为根据扩压器的启动要求，隔板的数量存在一定的限制条件。实际上， 隔板的存在相当于在光学谐振腔后部增加了一个第二喉道1 j 1 。这个第二喉道的大 小有一个限度。如果喉道小于这个限度，那么在光学谐振腔中是无法产生超音速流场的。也 就是说扩压器内部根本形成不了激波，扩压器无法启动工作。我们现在来导出这个限制条 件。 图2 - 2 - 5 第一喉道在启动瞬间 第1 3 页 巫： 国防科学技术大学研究生院学位论文 搿2 2 5 示意了穰有篇二喉道鹣装置在意磅耱闻静精况。在第二喉遂靛窝动瓣间，第 二喉道的前部会出现一道激波，这道激波后部的气流为溉音速。第二喉道的大小必须足够 造这些气镕暹遗。当第二啜遴菇小到“綦一毽”瓣，这垫薮音速懿气体又被热速至l 了鸯速。 这时，如果第二喉道继续减小，那么气流的速度也无法上升，因此气体的流最将限制。也 就是说此时，激波嚣斡气体无法流避篾二喉道，装置是囊动不了懿。所以这个“某一镶”， 就是第二喉道的最小值。 设第一喉道的丽积为a l ，总压为p o ，总温为t o ；第二喉道的面积为恕，总压为p o ， 总温为t 。o ；中闼的超音邋段气流马赫数为m ，面积为a ；气体沈热眈为y 。根据芷激波 关系式得到： 墨： r f 旦型1 击 l y + l 芦+ l 根据溅蠛守恒的迢续方程衡到： 鱼：逛( 2 - 2 _ 7 ) ： r 7 ； 又翔遥控瓦尔喷餐豹膨涨跷与马赫数的关系娴： 三= 去 治卜孚斟2 炉 c 幽 由( 2 。2 6 ) ，( 2 ，2 7 ) ， ( 2 2 _ 8 ) 可以得到： 鲁：璧 寿 赫m 一哪一+ 孚m ： ；( 彬。一孚户 沼z 蛳 ( 2 _ 2 9 ) 藏怒第二喉邋酌竞诤激夺谴。在马赫数受2 ，憨湛稳等，晓热阮为1 5 嚣寸， a 2 为a 的8 4 。那么在第二喉道启幼后，第二喉道处气流的马赫数是1 7 6 。由此可以看 到，这个篷逆( 2 2 5 ) 礁定豹最爨壤 + 5 要大锻多。龟裁是淹，无法逶过敖器大量薅缀， 来达到最佳的压缩量，否则扩压器无法启动。 实际上，隔投魄放置本囊还会繁寒总压黪援失。为了减少这令总压损失，翳板遮接寒 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 流的前沿都会削的非常尖锐。由于在激光器中，来流是腐蚀性气体，驻点温度很高，所以 这对于隔板的材料要求很严格。 2 3 引射器的计算模型6 8 1 3 9 1 4 2 1 前文讲过，引射器是化学激光器压力恢复系统中最重要的部分。这里来说明引射器设计 的主要计算模型。 在引射器的诸多参数中，有两个参数最为重要。一个是引射系数n ，它表示被引射气流 与引射气流的质量比。如果n 值越小，说明这种引射器在工作中需要消耗的气体就越多。 另一个参数是引射器的压缩比c r ，它表示引射器最终出口的静压，与被引射气流的初始 总压比。c r 的值越大，说明这种引射器具有较高的真空抽射能力。计算模型的任务就是 在给定n ，引射速度和其他参数的情况下来计算c r 等引射器参数，看看引射器是否能够 满足工程的升压需要。如果发现c r 太小，就需要适当减小n ，提高引射速度，重新由计算 模型来计算c r 。 在工程实践中一维模型是比较常用的计算模型。根据不同的设计理念，人们提出了多种 引射器一维计算模型，其中等截面混合超音速引射器模型是最基本的。图2 3 1 所示为这种 引射器的结构简图。 一般来说，在进行一维处理时，会作出以下的几条假设： 在混合区入口，引射气流和被引射气流各自以水平进入混合区，入口气流为满流，没有大 小和方向的散布，两股气流静压匹配；是简单的理想气体。 不考虑混合区内具体的混合过程和化学反应，气流在混合完成区已经混合为均一的气 体。 忽略摩擦损失，认为混合区壁面压力按照线性分布。 在混合完成区内的气体可能是超音速也可能是亚音速。如果是超音速时，气体将通过一 道f 激波变成亚音速气体。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 3 一l 等截蕊混合引射器 程混合区入搿，弓l 菇气浚参数为蕊蓬p 。l ，慧涩b l ，滋热c l ，魄熬毙yi ，平均势子量 1 ，速度系数 l ，流量廊l ，流通面积f l ；被引射气流参数为总压p 0 2 ，总温t 0 2 ，比热c p 2 ， 晓热吃￥2 ，乎殇分子量# 2 ，速度系数x2 ，流塞斑，漉逶甏粳气滚在完全混合惹的参数 为总压p 0 3 ，总温t 0 3 ，比热c p 3 ，比热比y3 ，平均分子量3 ，速度系数 3 ，流最忆，流通面 襁b ；气傣在弓l 瓣器的爨西静压力炎p 4 ，速浚系数盖4 。定义瑟稷魄蠹a ：a 蹿l 瑾f i + f 2 ) 。 一般常用的气动荫数1 为： ，、上 舷小纠卜嚣磐厂 驯) 捌一丢= ( t 嚣管尸风k，+ l， 捌寺= 卜嚣叫 积小( 譬) 吆) z n ) ：旯+ 第1 6 页 劭 固 固 旧 蚴 娴 嗍 薹 断 登 p 陪 国防科学技术大学研究生院学位论文 一维理想气体流量关系式为： 捕- c ( 研) 等笋 ( 2 _ 3 - 6 ) 、，10 式州 ) _ ( 引莉( 弦s 扪 ( 2 - 3 7 ) 中的r = r o u ，凡是通用气体常数，p o 和t 0 为总温和总压，f 是通道面积。 马赫数与速度系数的关系为： 五= 如= 型胁z 1 + 型讹2 讹2 、 2 由质量守恒关系可知：廊。= 确+ 痢：， 引入引射系数n ：堡后可以得： 卅l 旦：1 + 行 ，玎 由混合气体与定压比热的定义可以得到： 堕：生竺 印1 1 + 行 其中c - c m ，c p - ，可以导出c = 鲁軎l ；爱 另外还有： ( 2 3 - 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 3 1 0 ) ( 2 3 1 1 ) 第”页 国防科学技术火学研究生院学缱论文 舻糕y z + 款瓣c 妒警 电糍量守毽关系褥裂：斑，( ，瓦，+ 渤i c 蕊蜀2 = 麻，( 飘瓦 引入o = t 0 2 t o l ，变形得到： 瓦3 一l + h # 疗 瓦l 1 + 玎o ( 2 3 1 2 ) ( 2 3 1 3 ) ( 2 3 1 4 ) 山( 2 3 1 ) 和引射气流和被引射气流静压相等，并且引入p o l _ p 0 l p 0 2 ，则： = 由( 2 3 6 ) ，( 2 3 ，1 5 ) 于是有： 。：至i 墨! ! 2 蔓延：毖塑二生j “c ( 是，乃k 魄，拓磁 根搬动量守恒和( 2 3 lo ) 可以得到： ( 2 3 1 5 ) ( 2 3 1 6 ) 陋( 咖辱z 协如痧= 鼯魄脚慨沼，州， 这样，在n 帮e 翔遂懿瞻琵下，霹鞋国( 2 3 一1 5 ) ，( 1 - 3 一1 6 ) ，( 2 - 3 一 7 ) 求爨p e l ， a 和 3 ( 一般来说 3 有大干一和小于一两个解，通常在n 足够小时，我们选取大于一的越 音速解) 。在求褥蓟13 后，洳( 2 3 - l o ) 帮( 2 3 。6 ) 可敬导高： = 案叫舢胛 e 秘。，一k ( ，n ) 瓦丽磊丽而 x4 可以国下面方程( 由流量守恒母出) 确定： ( 2 3 。1 8 ) 第1 8 页 丛m亟嘲 国防科学技术大学研究生院学位论文 口( 也，九) ：塑4 ( 2 - 3 - 1 9 ) 盯曲n 出仃船 其中，d 。h o c k 是以波前马赫数为九3 的正激波的总压损失，可以由证激波关系式给出 o 。b 是亚音速扩亚段的总压损失，1 l r 是亚音速扩压段的面积膨胀比。 最后引射器的压缩比c r 是： 硼= 万( 以，3p 。m 盯m ( 2 _ 3 - 2 0 ) 通过以上各个方程在给定引射器的设计输入参数：n ，o 。曲，e ，1 l r ，u l ， l ，y 1 ，u2 ， 2 ，y2 后，可以计算出引射器的重要参数：c r ，a 和入3 。 通过对设计模型的计算分析，可以发现，在c r 一定时，改变引射器的引射工质( a 工 质和b 工质) ，有下面的近似关系： 竹口 。 ( 2 3 2 1 ) 从这个关系可以看出，引射器的引射效率关键在于引射气体的摩尔数和分子动能。这 个结论正好反映了引射器工作原理的分子运动论解释。在相同引射气体质量的情况下，