燃烧驱动气动CO2激光器流场仿真与实验研究

论文摘要

本文主要针对燃烧驱动气动CO2激光器流场进行了实验和数值仿真分析。首先简要介绍了气动CO2激光器的基本原理和工作过程,推导了激光器起动压比的计算公式。实验方面,进行了激光器燃烧室喷嘴流量特性和雾化特性的冷态研究。通过冷态试验,分析了液体喷注压降、气体总压等控制参数及测量位置对喷嘴流量系数、雾化平均直径的影响。流量特性试验表明,在液体喷注压降较高时,液体的流量系数基本不变,但是气体的流量系数受液体流动的影响较大;雾化特性试验表明,在同一气体总压条件下,增大液体喷注压降或者在相同液体喷注压降条件下,减小气体总压对液滴雾化有利。数值仿真方面,应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述了激光器燃烧室内部的喷雾两相燃烧流动过程,两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算,气相化学反应速率由Arrhnius公式计算,通过耦合求解气液两相模型方程,模拟了燃烧室三维流场,得到了燃烧室内的温度和组分浓度分布。通过对不同小方段高度燃烧室计算结果的比较,发现适当的减小小方高度将有助于提高燃烧效率;另外,还针对不同结构参数下的燃烧室二维流场进行了仿真,结果表明在一定范围内增大突扩角和大方段高度可以使燃烧进行得更充分。最后,针对扩压器中的二维流场进行了数值模拟,结果表明马赫数对扩压器性能影响较大,随着马赫数的增大,扩压器管道内激波-附面层干扰加剧,流动从附面层分离相应加剧,激波串数目增多;通过比较不同结构参数下的扩压器内流场,发现等直段长度的变化几乎没有改变流场结构,只是对局部流场稍有影响,并且在其它参数不变的情况下,一定范围内减小面积比A2/A1和增大收缩角θ有利于扩压器性能的提高。这些结论都可以作为激光器结构优化方案的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 气动激光器的发展
• 1.2 相关研究工作进展
• 1.2.1 喷嘴雾化研究进展
• 1.2.2 计算流体力学技术及其发展
• 1.2.3 理论物理模型的发展
• 1.3 本文的工作
• 2激光器'>第二章 燃烧驱动气动CO₂激光器
• 2激光器简介'>2.1 燃烧驱动气动CO₂激光器简介
• 2激光器工作过程'>2.2 燃烧驱动气动CO₂激光器工作过程
• 2.2.1 起动过程
• 2.2.2 流量要求
• 2.3 小结
• 2激光器喷嘴特性试验研究'>第三章 燃烧驱动气动CO₂激光器喷嘴特性试验研究
• 3.1 试验系统
• 3.1.1 喷嘴试验件的设计
• 3.1.2 冷试管路系统
• 3.2 喷嘴流量特性
• 3.2.1 流量曲线
• 3.2.2 流量系数
• 3.3 喷嘴雾化特性
• 3.3.1 激光衍射测粒仪工作原理
• 3.3.2 雾化试验结果
• 3.3.3 喷雾流场观测
• 3.4 小结
• 2激光器燃烧室流场数值仿真'>第四章 燃烧驱动气动CO₂激光器燃烧室流场数值仿真
• 4.1 计算控制方程和物理模型
• 4.1.1 气相控制方程
• 4.1.2 湍流模型
• 4.1.3 两相流模型（液相控制方程）
• 4.1.4 液滴蒸发模型
• 4.1.5 喷雾模型
• 4.1.6 化学反应动力学模型
• 4.2 网格处理与求解方法
• 4.2.1 计算网格处理
• 4.2.2 求解方法
• 4.3 物性参数和初边界条件
• 4.3.1 物性参数
• 4.3.2 初始条件
• 4.3.3 边界条件
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 三维计算结果
• 4.4.2 二维计算结果
• 4.5 小结
• 2激光器扩压器流场分析'>第五章 燃烧驱动气动CO₂激光器扩压器流场分析
• 5.1 实验结果分析
• 5.2 流场数值仿真
• 5.2.1 计算型面与初边值处理
• 5.2.2 仿真结果分析
• 5.3 小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表论文