轴快流CO2激光器大功率放电管的设计

摘要

轴快流CO2激光器的工作气体在放电管内沿轴向高速地流动，通过直流或射频激励获得高功率和高质量的激光输出，在金属材料的切割、焊接和热处理等领域得到了广泛的应用。激光器放电管的结构对于气体的流速和流场分布具有直接的影响，从而影响激光器输出的光束质量和激光功率。本论文针对传统的放电管存在的单位长度输出功率低的问题，采用现代计算流体动力学的数值模拟方法设计出了一种新型结构的放电管，并对放电管进行了实验验证，实验表明新型的放电管能够实现更高功率的激光输出，有助于激光器向高功率和小型化发展，本论文主要内容有以下几个方面：
　　（1）阐述了轴快流CO2激光器的工作原理、系统结构及其放电特征，重点分析了两种常用放电管的结构及其在放电稳定性和注入功率极限方面的优缺点。
　　（2）建立了放电管数值仿真的三维理论模型。三维理论模型包括控制方程，动量守恒方程和质量守恒方程以及方程中的一些变量，同时给出了数值仿真模型建立需要满足的几个条件，为后面的大功率放电管设计仿真提供一个理论的基础。
　　（3）设计了大功率输出的放电管结构并对其进行了理论仿真。从理论上指出提高放电管的质量流量可以增加输出的功率，借助流体仿真FLUENT设计了放电管的绕流环结构、喷嘴、口径、入口尺寸等，最终得到大功率输出的放电管的结构。仿真结果表明，新设计的放电管在气体质量流量、流速、流场均匀性、温度分布、放点稳定性方面优于原有的CP4000放电管。
　　（4）对新设计的放电管进行了实验验证。分别了测试了不同功率下的单根放电管工作电压和激励电流，在注入功率0W-1656W的情况下均可以得到稳定的辉光放电。并将新设计的放电管与原有的CP4000放电管进行了对比，实验结果表明，在稳定放电的情况下，新设计的放电管相对于原放电管的单管输出功率由333W提高到了375W。
　　论文研究工作对于攻克轴快流CO2激光器放电技术，提高激光器输出功率和放电稳定性具有重要意义。

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1 绪 论

1.1 大功率轴快流CO2激光器的概述

1.2 轴快流CO2激光器系统及放电管介绍

1.3 国内外大功率放电管的设计的发展

1.4 本课题研究的目的及意义

1.5 本论文的主要内容

2 数值仿真理论模型建立

2.1 轴快流CO2激光器工作原理和放电特征

2.2 三维的仿真模型

2.3 三维的仿真模型近似

2.4 本章小结

3 大输出功率放电管的设计

3.1 如何提高单根放电管的输出功率

3.2 大功率输出放电管的设计

3.3 大功率输出放电管的设计总结

3.4 大功率输出放电管的结构

3.5 本章小结

4 大输出功率放电管的数值仿真

4.1 仿真软件FLUENT

4.2 FLUENT数值仿真步骤

4.3 大功率输出放电管的仿真

4.4 本章小结

5 大输出功率放电管的实验

5.1 实验平台

5.2 测试方法

5.3 大功率输出放电管的测试结果

5.4 大功率输出放电管与原有的放电管的结果对比

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

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