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域有了新的應用前景而重新受到關注。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，并進行了相關的應用研究。
　　對OpenFOAM沒有提供的輸運模型和湍流模型進行了底層開發(fā)，在此基礎上編寫了預混/混合型氣動 CO2激光器噴管非平衡流的求解器及相應的前后處理程序，建立起完善的數(shù)值仿真平臺。
　　首先從耦合弛豫動力學的流體控制方程組

2、出發(fā)，推導了影響弛豫過程的特征量，通過對預混型氣動 CO2激光器噴管內的流動參數(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移能量而對流動過程施加影響。在此工作基礎上研究了噴管的宏觀工作參數(shù)通過影響噴管內“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噴管在預混型氣動CO2激光器上的應用效果進行了對比研究，揭示了它們性能差異的內在因素并在此基礎上對ALN噴管型面進行了改進。結果表明ALN噴管可以在調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用的噴管幾乎都是純氣動條件下設計的，ALN噴管設計方法給耦合弛豫過程的噴管型面優(yōu)化設計帶來了希望。
　　針對新近