激光增益模块热流固耦合模拟及安全因素分析

摘要

固体激光器在国防建设、国民经济、科技研发及日常生活等领域均有广泛应用，但其在使用过程中受热效应的影响，存在输出功率受限、出光质量降低和安全风险等问题。随着高功率激光器的迅速发展，采用微通道冷却系统的直接液冷固体激光器由于其换热能力好、输出功率高等优势受到了研究者们的关注。本文依据某小型直接液冷固体激光器的实际参数，建立液冷系统的微通道和增益模块计算模型，并采用FLUENT等软件进行数值模拟，分析相关参数对微通道内流动与传热特性的影响规律。在此基础上，进一步研究增益模块的热应力和光程差分布，分析增益模块的优化参数和安全性因素。 微通道内流动与传热特性的模拟结果表明，测试段高度增大、壁面相对粗糙度增大、入口段收缩比增大均会使转捩雷诺数增大；薄片热负荷对流动转捩点无影响，热负荷、测试段高度增加均会使换热效果降低，且在每一热负荷下均存在最小流体雷诺数即最小流速，低于最小流速不利于激光器的安全运行；通过正交模拟试验得到微通道的最优设计参数组合为：测试段高度0.5mm、壁面光滑、入口段收缩比为9，此时的转捩雷诺数为3100。 增益模块热应力的热流固耦合模拟结果及光程差计算结果表明，当热负荷为800W、雷诺数为3100时，微通道内流动为层流状态，此时薄片所受最大Von Mises应力为328.77MPa；由于冷却液与薄片各自温度梯度引起的光程差相互抵消，造成整个温度梯度引起的光程差除边缘外分布比较均匀、而薄片热变形引起的光程差分布与薄片变形分布规律相似，整体呈S形，有明显的波峰与波谷，故总光程差分布不均匀，峰谷值为0.428μm。 增益模块参数优化和安全性因素影响分析结果表明，微通道流体逆流流动可以减小冷却流体引起的光程差的不均匀分布，使总光程差显著下降；雷诺数增大、热负荷减小会使薄片所受最大应力减小、增益模块光程差峰谷值减小；薄片所能承受的最大热负荷随雷诺数的增大而增大，当雷诺数为3100时，薄片热负荷应限制在800W以下。 综上，在不影响微通道物理性能的前提下，应尽量增大测试段高度和入口段收缩比（入口段长度一定）、尽量使壁面光滑，冷却流体流速尽量接近转捩雷诺数，热负荷不可超过薄片所能承受的最大热负荷，由此可实现激光器冷却系统的高效换热要求，并保证激光器能安全平稳运行。本文的研究内容为直接液冷固体激光器增益模块的设计与优化提出了指导性意见，为缓解该激光器热效应提出了可行方案。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 直接液冷固体激光器的研究现状

1.2 微通道冷却技术的研究现状

1.2.1 微通道内流体流动特性的研究现状

1.2.2 微通道内流体传热特性的研究现状

1.2.3 激光器微通道冷却系统安全性因素分析的研究现状

1.3 计算方法和软件介绍

1.3.1 热流固耦合方法

1.3.2 软件介绍

1.4 本文研究内容

2 微通道与增益模块计算模型建立

2.1 微通道流动与传热模拟计算模型

2.1.1 微通道物理模型建立

2.1.2 微通道数学模型建立

2.1.3 微通道湍流模型选择

2.2 增益模块热应力模拟计算模型

2.2.1 热流固耦合物理模型建立

2.2.2 热流固耦合数学模型建立

2.3 增益模块光程差计算模型

2.4 本章小结

3 微通道流动与传热模拟

3.1 微通道流动特性影响因素分析

3.1.1 缓冲段长度

3.1.2 测试段高度

3.1.3 壁面相对粗糙度

3.1.4 入口段收缩比

3.2 正交模拟试验法优化转捩影响因素

3.2.1 正交模拟试验方案

3.2.2 正交模拟试验结果分析

3.3 微通道传热特性影响因素分析

3.3.1 流道位置的影响

3.3.2 测试段高度的影响

3.3.3 热负荷的影响

3.4 本章小结

4 增益模块热应力及光程差计算

4.1 增益模块热应力模拟结果分析

4.2 增益模块光程差计算结果分析

4.3 增益模块热应力与光程差影响因素探究

4.3.1 流体流向的影响

4.3.2 雷诺数的影响

4.3.3 热负荷的影响

4.4 增益模块安全因素分析

4.4.1 激光器操作风险

4.4.2 激光器增益模块安全因素分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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