学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

连续波DF/HF化学激光器新型增益发生器的理论设计

作　者: 袁圣付
导　师: 赵伊君；姜宗福
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 连续波DF／HF激光器 增益发生器 喷管设计 数值模拟 化学反应动力学模型 HYLTE喷管 HYTEN喷管 HYTRN喷管 按比例放大 小信号增益系数
分类号: TN248.5
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 156次
引　用: 35次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


增益发生器的设计是连续波DF／HF化学激光器的核心技术之一。本文在二维CR（Chamber—Radon）程序研究的基础上，采用有限体积方法和完全隐式的耦合算法，通过求解带Realizable K-ε两方程湍流模型的多组分、有反应的三维完全纳维埃—斯托克斯（N—S）控制方程，建立了一套能够对复杂形状的三维喷管和光腔进行数值模拟的三维程序，解决了连续波DF／HF化学激光器增益发生器设计缺乏三维数值模拟工具的问题，并用该工具解决了CR程序无法实现的HYLTE等复杂三维喷管流场的理论模拟问题。该程序还可应用到氧碘激光器（COIL）、泛频HF、全气态碘（I）等其它化学激光体系。另外，本文还讨论了新型喷管设计理论、思路和工程化等相关问题。 新建立的三维程序在高质量网格、合理的初边值以及模拟方案基础上，采用振动非平衡—转动平衡模型和有限速率方程表达的111个单向基元反应的化学动力学模型，利用分子运动理论计算的输运系数和工程实验采用的滞止参数，对运转（NF3+H2+He）／D2燃料体系的DF激光器的HYLTE喷管和光腔进行了数值模拟分析。讨论了该类喷管的流场特征、组分分布特点、总压损失特征、反应区流场参数和反应流混合机理，并对小信号增益系数、F原子利用效率和反应放热进行了计算。这些结果对于优化HYLTE喷管的参数设计和加强HYLTE喷管的概念理解都具有指导性的意义。也是包括美国TRW公司的直接模拟蒙特卡罗（DSMC）文献报道在内的极少数模拟结果之一。 利用建立的三维模拟程序，对本文设计的新喷管——喉部引射注入的高超音速喷管（HYTEN）和光腔进行了数值模拟。重点对喉部引射主喷管和燃料副喷管的不同结构、滞止参数进行探讨。研究了喉部引射主喷管的流场特征、主喷管等效的三喷管分离方法和不同参数的引射结果以及相关的工程问题；同时还研究了HYTEN的流场特征，不同副喷管间距、注入角度和总压对流场参数的影响。对一种初步确定的HYTEN喷管参数对应的反应流场进行了数值模拟。这些结果为HYTEN喷管的工程设计、优化和概念验证提供了基本的物理图像。 在三维程序的验证方面：结合二维CR程序，分析了不同化学反应动力学模型对应的计算结果，对三维程序的动力学模型确定和结果分析起到了很大的指导作用；针对采用HYLTE喷管的单喉道激光器（STL）进行了问题分析、数值模拟和 目录＆缩写＆摘要 一实验验证。实验结果定性地验证了本文程序模拟结果的可靠性。 利用二维＊R程序，研究了单喷管型面对F原子冻结效率等参数的影响：研究了二维平面对称喷管（2SLO）的反应流混合机制和混合角对激光器性能的影响；对比研究了ZSLOT和三狭缝平面对称喷管OSLOT)流场和增益特征。这些工作对理解喷管光腔气流特性的要求以及新型喷管设计思路都具有重要意义。从增益系数、输出功率和激光效率的基本模型公式出发，逆推得到了DF／HF化学激光器性能对光腔中F和D。川。反应区流场参数的依赖关系。给出了反应区流场参数的要求，为本文进行DFMF化学激光器的喷管设计提供了理论依据。结合喷管设计的工程问题和气动新技术，在分析HYLTE喷管缺点的基础上，对三种新喷管HYTM、HYTM和 HYTTN进行了概念设计，从而为工程上使用性能更好的喷管器件提供了基本前提和研究方向。 喷管器件研究的最终目标是要在工程上实现高性能喷管的应用。为此，本文在新型喷管数值模拟和概念设计的基础上，也探讨了喷管工程化的相关问题，主要包括用于新型喷管筛选、按比例放大研究的实验平台和相关的诊断手段。从概念上设计了一台能完成新型喷管工程化研究需要的DF／HF化学激光器装置，探讨了一种能完成各种参数实验的喷管叶片封装方案；研究了按比例放大问题，重点对燃料供给管路进行了讨论；对喷管的结构应力进行了简单分析；设计了增益测量的一种简易替代装置。这些工作将为新型喷管工程化提供可行的实验方案。

全文目录


目录  2-5
本文缩写列表  5-6
中文摘要  6-8
英文摘要  8-11
第一章 引言  11-17
  §1．1 增益发生器研究现状  11-12
  §1．2 增益发生器研究内容和手段  12-13
  §1．3 本论文研究内容和思路  13-17
第二章 二维数值模拟工作  17-38
  §2．1 单喷管型面对其流场的影响  17-25
    2．1．1 收缩段对喷管流场参数的影响  17-19
    2．1．2 最佳等截面段长度确定  19-21
    2．1．3 扩张段型面对喷管流场的影响  21-25
  §2．2 反应混合角对2SLOT喷管性能的影响  25-30
    2．2．1 不同混合角模型  25-26
    2．2．2 计算结果及分析  26-30
  §2．3 2SLOT与3SLOT流场特征  30-32
  §2．4 CR程序与本文程序的结果比较  32-38
    2．4．1 冷流场结果比较和分析  33-34
    2．4．2 热流场结果比较和分析  34-38
第三章 HYLTE喷管和光腔模拟  38-78
  §3．1 引言  38-39
  §3．2 数值模拟基础  39-48
    3．2．1 控制方程  39-41
    3．2．2 化学源项和反应动力学模型  41-42
    3．2．3 输运系数计算  42-43
    3．2．4 数值模拟方案  43-44
    3．2．5 振动非平衡及增益系数表示方法  44-46
    3．2．6 数值模型求解  46-48
  §3．3 HYLTE模拟设置  48-54
    3．3．1 模拟区域选取  48
    2．3．2 模拟网格设计  48-51
    3．3．3 初、边值条件  51-52
    3．3．4 喷管结构和滞止参数  52-54
  §3．4 HYLTE模拟结果  54-70
    3．4．1 组分分布  54-57
    3．4．2 流场参数  57-60
    3．4．3 压力匹配  60
    3．4．4 混合机理  60-65
    3．4．5 小信号增益  65-67
    3．4．6 F原子利用效率  67
    3．4．7 反应放热效应  67-68
    3．4．8 反应区流场参数  68-70
  §3．5 STL模拟及实验  70-75
    3．5．1 STL简介及问题分析  70-71
    3．5．2 STL流场模拟分析  71-74
    3．5．3 实验验证与反应流场模拟  74
    3．5．4 STL改进方案  74-75
  小结  75-78
第四章 新型喷管概念设计  78-97
  §4．1 喷管设计的理论依据  78-82
    4．1．1 增益对流场参数的要求  78-80
    4．1．2 功率对流场参数的要求  80-81
    4．1．3 效率对流场参数的要求  81-82
    4．1．4 增益、功率和效率的关系  82
    4．1．5 喷管设计依据总结  82
  §4．2 喷管分类和评价  82-87
    4．2．1 喷管设计分类  82-83
    4．2．2 各种喷管评价  83-87
  §4．3 喷管设计的基本认识  87-90
    4．3．1 化学激光器宏观认识  87-88
    4．3．2 喷管的基本元素分析  88-89
    4．3．3 喷管设计工程问题  89-90
  §4．4 设计的新型喷管  90-94
    4．4．1 HYTEN喷管设计  90-92
    4．4．2 HYTRN喷管设计  92-93
    4．4．3 HYTTN喷管设计  93-94
  小结  94-97
第五章 HYTEN喷管和光腔模拟  97-138
  §5．1 喉部引射副喷管相关研究  97-113
    5．1．1 模拟内容和方法  97-99
    5．1．2 引射喷管的流场特征  99-105
    5．1．3 三喷管分离方法  105-108
    5．1．4 不同参数引射结果对比  108-111
    5．1．5 工程相关问题模拟  111-113
  §5．2 D_2副喷管相关研究  113-130
    5．2．1 与HYLTE流场特征比较  114-117
    5．2．2 副D_2喷管间距对流场参数影响  117-124
    5．2．3 副D_2注入角度对流场参数影响  124-125
    5．2．4 副D_2注入总压对流场参数影响  125-127
    5．2．5 双周期流场模拟  127-130
  §5．3 HYTEN反应流场模拟  130-136
    5．3．1 喉部引射喷管模拟  130-133
    5．3．2 耦合段流场模拟  133-136
  小结  136-138
第六章 喷管工程化相关问题  138-157
  §6．1 喷管筛选和验证装置设计  138-145
    6．1．1 燃料混合室  139-141
    6．1．2 喷管叶片封装  141-143
    6．1．3 腔镜和真空通道组装  143-145
  §6．2 按比例放大问题探讨  145-152
    6．2．1 概念解析和放大原则  145-146
    6．2．2 燃料供给管路分析  146-150
    6．2．3 叶片管路设计与诊断  150-152
  §6．3 喷管应力有限元分析  152-154
  §6．4 增益测量替代装置设计  154-156
  小结  156-157
结论  157-160
附录 化学反应动力学方程和速率方程列表  160-166
  本文程序采用的反应动力学模型  160-163
  CR程序增加的一些反应和速率表达式  163-166
致谢  166-167
攻读博士期间发表的论文  167

相似论文

  1. LNG系统中工作压力设定依据与换热器正交试验设计,TQ051.5
  2. 高强度钢板冲压件回弹的研究,TG386
  3. 筒形件可控径向加压充液拉深数值模拟与实验研究,TG386
  4. 硬质合金与钢连接工艺及机理研究,TG454
  5. 具有非对称端壁的涡轮叶栅气膜冷却数值研究,V231.3
  6. 复杂形体的高速气动对流及耦合换热研究,V215.4
  7. 轨道交通引起周围环境竖向振动的振源特性分析,U211.3
  8. 循环流化床内颗粒聚团的传热特性研究,TK124
  9. 生物质直接再燃的数值模拟,TK16
  10. 670t/h四角切圆锅炉炉内煤粉燃烧过程的数值模拟,TK224.11
  11. 1000MW超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程的数值模拟,TK224.11
  12. 喷动床内气固两相流动特性的研究,TK173
  13. 周向浓淡旋流燃烧器空气动力场的试验研究及数值模拟,TK223.23
  14. 中心回燃式燃烧室燃烧特性研究,TK223.21
  15. 迷宫式汽封和薄叶式汽封的数值模拟与对比分析,TK263.2
  16. 三峡库区水环境中营养盐磷分布规律的数值研究,X832
  17. 阀外置式小排量抽油泵的设计及性能仿真分析,TE933.3
  18. 渗流对尾矿坝稳定性影响的分析,TV649
  19. 低渗透油藏水力压裂研究,P618.13
  20. 果园风送式喷雾机流场数值模拟及试验研究,S491
  21. 微型联合收割机气流式清选装置的仿真研究,S225.3

中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器 > 化学激光器
© 2012 www.xueweilunwen.com