余弦光-液耦合喷嘴射流抛光内外流场仿真研究

摘要

随着科技的进步，空间天文光学、卫星遥感技术、大型地基光学系统的快速发展，对光学系统工件的质量、分辨率、稳定性、表面粗糙度等各方面性能参数要求极为苛刻。尤其针对工件表面粗糙度，要求达到超光滑表面。然而传统的研抛方法难以同时保证加工效率、精度与表面质量，在加工工件表面过程中难免会引入加工损伤。因此，世界光学制造界的学者致力研究超光滑表面的加工机理和工艺，以期实现更高精度更高效率的超光滑表面加工。本文采用紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光技术，有望获得便捷、高效、绿色的超光滑表面加工方法，并且可加工表面复杂的曲面，使其满足超光滑表面的要求。 首先，本文分析了实现紫外光诱导纳米颗粒胶体射流的理论基础，对射流的特性进行了详细的分析，并且研究了非淹没条件下锥柱形喷嘴、余弦喷嘴的流场结构。在此基础上，分析了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流的原理。纳米颗粒胶体与工件表面发生界面化学反应，并且在射流不断冲击的作用下反应物会随之离开工件表面。其中一部分紫外光被纳米颗粒吸收；另一部分紫外光作用于工件表面，作为界面化学反应的催化光场，从而加快界面化学反应。运用有限体积法建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流流场的数学模型，作为接下来的流场数值计算和实验分析的理论基础。 其次，建立了两种光-液耦合喷嘴的模型，采用 Fluent软件分别进行了锥柱形喷嘴、余弦喷嘴在非淹没条件下的内外部流场数值模拟，得到两种光-液耦合喷嘴在相同条件下的内部流场、外部流场、工件表面处的速度与压力以及湍流强度的情况。重点讨论了工件表面处速度与压力的分布规律。通过分析两种光-液耦合喷嘴内外部流场数值模拟的结果，对比研究了锥柱形喷嘴和余弦喷嘴射流流场的不同特点，为设计、选择适宜的光-液耦合射流喷嘴提供理论依据。 再次，分析了余弦喷嘴过渡段长度以及收缩角的变化对流场的影响规律，然后采用田口方法（Taguchi）并利用 Minitab 质量管理统计软件对影响流场的四种喷嘴参数进行优化设计，得出适用光-液耦合射流的余弦喷嘴合理的结构参数值，并对其进行流场仿真分析与验证。 最后，根据紫外光诱导纳米颗粒胶体射流的加工特点，设计、搭建了满足要求的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统，用自行配置的二氧化钛纳米颗粒胶体抛光液，对单晶硅工件进行了初步抛光试验，得到表面质量较好的工件表面，验证了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面的可行性。

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附表索引

第一章 绪论

1.1课题的来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3超光滑表面加工技术的研究现状

1.4紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光的提出

1.5本课题主要研究内容

第二章 紫外光诱导纳米颗粒胶体射流流场特性及模型建立

2.1引言

2.2射流流场的特性及结构

2.3光-液耦合射流的产生及作用理论

2.4光-液耦合射流数学模型的建立

2.5本章小结

第三章 光-液耦合射流流体动力学仿真与分析

3.1引言

3.2二氧化钛纳米颗粒胶体流体特性及射流仿真初始条件

3.3锥柱形喷嘴射流流场数值模拟与分析

3.4余弦喷嘴射流流场数值模拟与分析

3.5本章小结

第四章 余弦喷嘴的结构参数优化研究

4.1引言

4.2余弦喷嘴过渡段长度对流场的影响

4.3余弦喷嘴收缩角对流场的影响

4.4 田口方法（Taguchi）优化

4.5本章小结

第五章 紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工试验系统研制与试验研究

5.1引言

5.2紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统总体设计

5.3紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光初步试验研究

5.4本章小结

结论与展望

本文总结

不足和展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文