连续波氟化氘/氟化氢化学激光器TRIP技术混合机理

　　连续波(CW)氟化氘/氟化氢(DF/HF)化学激光器在应用中有小型化、机动性好的需求,因此人们一直在探索其高腔压的工作方式。即在提高激光器压力恢复潜力的同时,保证气流仍有较高的混合效率,以使反应可与快速的去激活过程相竞争,提取更多的激光功率。因此有多种增强气流混合的措施提出,以改变增益发生器结构及注气方式为主:如TRIP,DEFLECTOR,RAMP等喷管结构[1-7]。TRIP结构早在20世纪70年代就被提出,并显示了优越的性能,虽然结构复杂、造价极高,但该结构下输出功率比不加氦气流情况有2倍左右的提高[1]。现在,这项技术仍被用于高能DF激光器系统中[8-9],日本学者将其用于氧碘激光器中[10],因此这种高效的混合方式仍值得我们关注。但之前公开的研究报道[2]或是只能反映冷流场,或只能显示流场2维结构。因此,获得TRIP喷管的3维热流场结构对细致研究其混合机理,并进一步研究该技术的新近应用是十分必要的。而DF/HF激光器的3维数值模拟方法不受实验条件和方法的限制。本文采用CLNST(Chemical LaserNumerical Simulation Tool),计算了TRIP器件的3维流场结构,并对混合机理进行了分析。

　　1　数值研究方法

　　采用了TRIP技术的喷管阵列如图1所示。含氟原子气流与燃料气流分别通过主副喷管,在光腔内发生混合反应生成激发态分子,从而产生激射。TRIP技术核心在于分别向主副气流喷注小股扰流氦气。

　　1.1　控制方程

　　实验建立的针对DF/HF激光器的CLNST进行。激光器的喷管及光腔中包含多种气体组分,并将发生复杂的化学反应,控制方程为3维Navier-Stocks方程组,其守恒形式矢量方程为

y,z方向的速度分量;H为总焓;γ0为气流当地比热比值;p为气流当地静压;wi为组分i的质量分数。

式中:c_l是组分l的定压热容值;v是光腔内气体的速度;H₀^l是组分l的标准生成焓。式(1)~(6)即可组成闭合的方程组,采用有限体积法进行离散,对离散方程使用隐式格式耦合算法迭代得到收敛结果。

　　1.2　喷管及光腔流场模拟区域及边界条件

　　喷管后段与光腔前段的流场结构十分复杂,因此本文采用分段模拟。先单独模拟主副喷管(未喷注扰流氦气)及扰流气通道,然后模拟喷管与光腔耦合段,最后模拟光腔后段。本文主要关注耦合段流场。实际的激光器增益发生器为包含多组叶片的喷管阵列,取周期性阵列中的最小单元,然后在垂直于流场的两个方向上分别作对称和周期性平移延拓即可得到整个喷管阵列,即得整个流场结构,模拟区域如图2所示(耦合段区域长宽比较大,在此只给出前半段图示)。不同文献中的喷管阵列结构尺寸不尽相同的,且很难找到各喷管结构尺寸相对应的运转条件。因此我们选取了文献[3]中提供的结构参数,其中主副喷管喉道高度均为0.076 mm,而面积比(喷管出口面积与喉道面积之比)分别为30和11,其它参数如图2所示。主喷管入口采用文献[1]中数据,并调节副喷管入口条件使与主喷管在喷管出口平面(NEP)上压强匹配。作为对比,对相同喷管结构,无扰流气注入的喷管流场也进行了计算。各边界条件如表1所示,其中p0,T分别表示入口边界处总压、总温。