超音速氧碘化学激光器数值仿真及优化的研究

摘要

超音速氧碘化学激光器(SCOIL)具有波长短、效率高、光纤传输性能好等优点，在军事和工业上有很好的发展和应用前景。SCOIL是一个将化学能转化为光能的作用机制，其内部的流动过程、化学过程及光传输过程极其复杂并且相互作用，合理地解析这种物理化学过程并对其关键参量进行评估和优化是SCOIL的重要科学命题之一。 本文以数值仿真为主要手段，对SCOIL内流场及其与光场的耦合机制进行了研究和评估。运用计算流体动力学软件模拟了SCOIL的关键区域——喷管和光腔内的流动过程，发展和完善了适应此种高焓高速化学流场的计算模型，数值解析了超音速流场内的流动特性、反应情况及其增益特性。为了进一步实现对光场参量的评估，本文运用C语言将几何光学模型编译成相应的计算程序，与计算流体软件中的流场模型进行耦合，并行求解，数值模拟了SCOIL内光场从初始建立到稳定过程中流场及光场的衍变情况，解析功率提取过程对化学流场的动态影响，探索性地实现了SCOIL内流场、化学场及光场的实时耦合仿真，并在中国科学院化学激光重点实验室现有的千瓦级超音速氧碘化学激光器(KW-SCOIL)上进行了计算结果与实验测量数据的对比验证，取得了良好的一致。在此基础上，应用先进的数值优化模块，完成了优化过程和仿真过程的链接，以提高光腔内增益分布均匀性为优化目标，搭建数值优化平台，实现对激光器来流条件的优化设计。 本文初步建立了流场与光场耦合计算的仿真体系，并完成了仿真和优化过程的集成运算，此种评估方法和优化平台的完善和应用对SCOIL的高性能发展具有重要的现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2课题研究的背景及意义

1.3课题研究的国内外现状

1.4课题研究的主要内容

第2章超音速氧碘化学激光器简介

2.1引言

2.2超音速氧碘化学激光器的基本原理

2.3超音速氧碘化学激光器的基本结构

2.3.1单重态氧发生器

2.3.2碘发生器

2.3.3超音速混合喷管

2.3.4光学谐振腔

2.4超音速氧碘化学激光器的主要性能参数

2.4.1化学效率

2.4.2小信号增益

2.4.3光束质量

2.5本章小结

第3章超音速混合喷管及光腔内流场的三维数值模拟

3.1引言

3.2计算区间的确立

3.3控制方程的确立

3.4控制方程的数值求解

3.4.1计算区间的离散

3.4.2控制方程的离散和求解

3.5计算仿真平台

3.6流场模拟

3.6.1计算模型

3.6.2边界条件

3.7计算结果及分析

3.7.1流场流动特性的数值模拟

3.7.2流场增益特性的数值模拟

3.7.3流场均匀性的数值模拟

3.8本章小结

第4章流场与光场耦合计算的初步探索

4.1引言

4.2光学模型

4.2.1概述

4.2.2波动光学模型

4.2.3几何光学模型

4.3光学模型与流场模型的耦合

4.3.1光学模型的求解

4.3.2耦合的实现

4.4耦合计算的结果

4.5验证试验

4.5.1实验装置

4.5.2实验结果与讨论

4.6本章小结

第5章超音速氧碘化学激光器流场参数的优化设计

5.1引言

5.2数值优化模块介绍

5.3总体优化设计思路

5.4优化设计的实现

5.4.1建立集成流程图

5.4.2优化设计

5.4.3结果分析

5.5本章小结

结 论

参考文献

附录SCOIL相关物性参数的拟合

攻读学位期间公开发表论文

致 谢

研究生履历