特种工程塑料用于COIL无加热喷管的可行性研究

摘要

氧碘混合喷管是氧碘化学激光器最为关键的部件之一。目前激光器喷管采用耐酸不锈钢1Cr18Ni9Ti加工，为防止喷管内碘蒸气凝结导致喷碘孔堵塞，喷管双侧带有加热管，此种喷管存在结构复杂、易发生故障，加工难度大等问题。初步研究认为：采用某些绝热性好的特种工程塑料加工一种无加热喷管，可能使金属喷管存在的问题得以解决。 为了验证用特种工程塑料加工氧碘激光器无加热喷管的可行性，得出塑料喷管的应用范围以及喷管材料的选择依据，本文初步选出了五种可用于加工喷管的高性能塑料品种，并以聚酰亚胺为例，以KW级氧碘激光器喷管为原型，对实际热环境下的聚酰亚胺喷管和不锈钢喷管的温度场进行了数值模拟与分析。讨论了气流参数和材料的热性能参数对喷管温度场的影响，探讨了无加热塑料喷管的应用范围和喷管材料的选择依据。实验测定了单个聚酰亚胺喷管在不同气体流量、不同初始温度下通气6s和20s后喷管壁面一点M的温升，与相同条件下的模拟结果进行了对比，分析了模拟结果的可靠性。 上述研究的结果表明：塑料喷管能够有效阻止碘蒸气热量的大量导出，在使用过程中无需加热，且在提高激光器整体性能方面具备优势。气体流量、温度对喷管的温度场分布影响不大，因此塑料材质的无加热喷管放大后也可用于KW级以上的氧碘激光器。材料的热导率和定压比热容同时影响喷管的温度场分布，热导率低、比热容大的塑料品种更适于加工喷管。对喷管上一点M，模拟得到的该点温升均低于实测值，这主要是由于供气管路对喷管的加热作用引起的，但模拟数据符合喷管温度的变化规律，能够反映喷管的实际传热情况。 本文的研究结果为氧碘激光器无加热塑料喷管的应用以及喷管材料的选择提供了理论依据，有利于喷管的结构优化和性能提高，对推进氧碘化学激光器的发展具有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1选题的背景

1.2 国内外COIL喷管发展状况

1.2.1 国外COIL喷管的发展

1.2.2 国内COIL超音速喷管的发展

1.3本文的研究目的和内容

1.3.1 研究目的

1.3.2研究内容

2喷管材料的选择

2.1特种工程塑料简介

2.2几种特种工程塑料的性能及应用

2.3喷管材料的选择

2.4 小结

3喷管传热模型的建立

3.1传热问题的基本理论

3.1.1热传递方式

3.1.2导热微分方程

3.1.3定解条件

3.2 喷管传热模型的建立

3.2.1 喷管的导热微分方程

3.2.2定解条件

3.2.3 对流传热系数的计算

3.3小结

4喷管温度场的数值模拟

4.1 传热问题的有限元分析理论

4.1.1 传热问题有限元解法的基本思想

4.1.2 瞬态温度场的空间有限元格式

4.1.3 瞬态温度场的时间差分格式

4.2喷管温度场的数值模拟

4.2.1 ANSYS软件简介

4.2.2喷管温度场的数值模拟

4.3 小结

5模拟结果分析与验证

5.1 聚酰亚胺喷管与不锈钢喷管的温度场对比分析

5.2气流参数对喷管温度场的影响

5.2.1气体流量对喷管温度场的影响

5.2.2副气流温度对喷管温度场的影响

5.3材料的热性能参数对喷管温度场的影响

5.3.1 材料的热导率对喷管温度场的影响

5.3.2材料的比热容对喷管温度场的影响

5.4实验简述及结果验证

5.4.1 实验简述

5.4.2结果验证

5.5 小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢