微通道冷却镜的换热特性与热变形研究

摘要

在高功率激光系统中，反射镜是激光器及其传输链中的重要元件。然而当辐照镜面的激光功率密度较高时，反射镜将不可避免地吸收部分激光能量并产生热变形，从而影响激光的光束质量。本论文以微通道冷却镜为研究对象，采用数值模拟的方法针对镜体结构对镜面热变形的影响开展研究，以期通过优化镜体结构实现减小和匀化镜面热变形的目的。本论文主要的研究内容和取得的成果如下：
　　（1）分析了激光辐照条件下微通道冷却镜产生热变形的热流固耦合过程，建立了微通道冷却镜产生热变形的数值模型，包括描述镜体内部对流传热的流体力学模型和描述镜体热变形的结构力学模型。采用有限体积法和有限元法分别对这个两个模型进行离散求解，并利用间接耦合法实现两个模型之间的数据传输，获得流体冷却条件下的镜面热变形。其具体求解过程为：首先利用有限体积法离散求解微通道冷却镜的流体力学控制方程，然后将获得的镜体温度场作为热边界条件加载到由热弹性方程控制的有限元模型，以实现镜体应力应变场的求解，并获得镜面的位移数据。
　　（2）根据建立的数值模型，模拟分析了给定结构和工况条件的微通道冷却镜的瞬态热变形过程，比较了分别采用单向耦合和双向耦合这两种间接耦合方式得到的数值结果的差别，并通过实验对模拟结果进行了验证。结果表明：本论文的数值模拟结果具有很好的准确性，与实验结果误差在10％以内；在受到激光辐照的第1秒内镜面热变形增大迅速，但在随后的时间内增长速度显著减小而且镜面热变形有趋于平衡的趋势；单向耦合法和双向耦合法得到的数值结果近乎相同，因此占用更少的计算空间和计算时间的单向耦合法更适合用于求解微通道冷却镜的热变形问题。
　　（3）研究了矩形、梯形和圆形截面形状的微通道及其几何尺寸对微通道冷却镜的换热特性和热变形特性的影响，结果表明：镜面温升和热变形随水力直径的减小而减小；当水力直径相同时，梯形截面的微通道冷却镜因具有最大的换热面积而具有最小的镜面热变形；在非圆截面微通道内，虽然侧壁的平均换热系数略小于靠近镜面的顶面，但由于侧壁的两个面相对于顶面和底面具有更大的换热面积，因而当流道宽度和间距一定时，增大微通道的深/宽比有利于增强微通道冷却镜的散热能力并减小镜面热变形。
　　（4）研究了密封层上的入口/出口设置对微通道冷却镜的镜面热变形的影响，并采用泽尼克多项式对变形镜面进行面形拟合，分析了不同入口设置的微通道冷却镜的主要面形误差及其对光束质量的影响。结果表明：入口和出口设置及其对应的流道分布同时影响着镜面温度场和镜面热变形的大小和分布；不同入口设置的微通道冷却镜的主要面形误差类型不同。说明通过优化入口/出口设置不仅可降低和匀化镜面热变形，而且还可以有针对性地减小和消除镜面的某些误差类型以提高光束质量，但前提是入口设置必须同时兼顾换热效率和镜体刚度。
　　（5）提出了两种新型结构的微通道冷却镜：叉排板翅结构微通道冷却镜和非等厚镜面层微通道冷却镜。相对于传统结构的微通道冷却镜，叉排板翅结构和非等厚镜面层结构的微通道冷却镜具有更小的镜面热变形和更加均匀的变形分布；当入口/出口设置和流道分布相同时，非等厚镜面层微通道冷却镜的镜面热变形和变形标准差比等厚镜面层结构的分别小9.0%和9.2%。研究了入口流量对镜面热变形的影响，发现采用增大流量的方法来降低镜面热变形具有局限性。综合考虑入口流量与压降（液压变形）和热变形的关系发现，当平均雷诺数约为1000时可认为通道型的微通道冷却镜达到最优的水力工作条件，据此可以确定不同结构的微通道冷却镜的最优工作流量。
　　（6）根据尺度律，对高功率激光传输所需要的大口径微通道冷却镜热变形进行结构优化并对其镜面热变形进行评估计算。采用小水力直径、大深/宽比、中心对称的入口/出口和非等厚镜面层等结构特点，可使镜体直径达200 mm的大口径微通道冷却镜，在平均净吸收热流密度为12 W/cm2的高斯光束辐照下（净吸收功1580 W，光斑直径120 mm），镜面热变形仅为0.113μm。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 微通道冷却镜的研究背景

1.3 微通道/微孔冷却镜的研究进展

1.4 本论文的研究内容

2 微通道冷却镜的热流固耦合理论

2.1 激光对反射镜镜面的热作用

2.2 微通道冷却镜的计算流体力学分析模型

2.3 微通道冷却镜的结构力学分析模型

2.4 微通道冷却镜的热-流-固耦合求解

2.5 本章小结

3 微通道冷却镜的瞬态热变形分析

3.1 物理模型和网格划分

3.2 镜面瞬态温度场的求解和分析

3.3 镜面瞬态热形变的求解和分析

3.4 实验验证

3.5 本章小结

4 通道层流道结构参数对微通道冷却镜性能的影响

4.1 微通道冷却镜热变形模拟的尺度律

4.2 平行直列微通道冷却镜中截面参数的研究

4.3 板翅结构微通道冷却镜性能的研究

4.4 本章小结

5 镜面层和密封层结构对微通道冷却镜性能的影响

5.1 数值模型和边界条件

5.2 微通道冷却镜的热台架试验系统

5.3 密封层中入口/出口的设置

5.4 非等厚镜面层结构

5.5 大口径微通道冷却镜结构优化后的效果评估

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文主要创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间取得的研究成果