大密封压比超音速自由旋气动窗口设计与试验研究

　　高能化学激光器通常采用晶体窗口密封光腔以维持激光器正常运转所需的真空环境并保证激光束的输出,但在更高功率或长时间运转激光器中,透过晶体窗口的激光能量密度较高,局部能量吸收引起的热应力会使窗口发生热畸变,并可能引起炸裂,从而影响激光器的正常运行。

　　利用气动窗口可以解决高能激光器输出窗口问题,国内外学者曾就此开展了广泛研究并提出了多种类型的气动窗口[1-6],如引射式、斜激波式、膨胀波式、自由旋式等。其中自由旋气动窗口利用气体自由旋运动产生的离心力来维持大气与光腔之间的压差,自由旋窗口射流内部没有激波和膨胀波,对激光束影响较小;同时具有结构紧凑、耗气量小等特点,因而得到了广泛使用。

　　理论上可以设计出密封压比很大的自由旋气动窗口,但在工程应用中,由于受到气体性质、制造工艺、系统规模等诸方面的制约,单级自由旋气动窗口往往难以实现较大的密封压比。目前,国内报道的自由旋气动窗口的密封压比一般都低于50。为实现较大的密封压比,本文介绍了一种带主动式扩压器的气动窗口设计方案并进行了试验研究。

　　1　气动窗口设计

　　1.1　自由旋气动窗口喷管设计

　　自由旋气动窗口喷管采用无粘特征线法进行设计[7-8],由喷管出口平面气流参数逆推得到整个超音速喷管型线。

　　一般来讲,环境压力、光腔压力、气动窗口通光孔尺寸是已知的,需要根据实际情况,选取射流气体种类、总温、总压、射流偏转角等参数。自由旋射流几何关系为(如图1所示)

式中:λc,λa分别为内外半径处的速度系数;v为半径R处的流体速度,根据几何关系、射流自由旋特性和1维等熵流方程可以得到喷管出口平面参数。

　　确定喷管出口平面参数后,利用特征线法进行喷管型线的设计,设计步骤见图2。为简单起见,图2(a)中只标出了喷管出口平面a,b,c,d这4个点,由此4点的参数可以确定Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ区域内左行和右行特征线交点上的参数,进而可以确定Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ和Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ区域内的气流参数,选取壁面型线时必须保证Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ-Ⅳ区域内没有同族特征线相交,另外马赫数应沿Ⅴ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅰ流线单调递增。下壁面型线延伸到Ⅵ点处,Ⅴ-Ⅳ-Ⅵ区域退化成一个单波区,也就是其内部仅存在左行特征线或右行特征线,两者不能同时存在。Ⅴ-Ⅵ线的上游按典型的Laval喷管设计[9],收缩段采用Bumowuhcku法进行设计,这样就可以得到整个喷管型线.

　　Fig.2　Design of nozzle profile

　　图2　喷管型面设计

　　喷管型线计算完成后,必须进行附面层修正,否则沿流动方向不断增厚的壁面附面层会使喷管有效流通面积减小,导致喷管出口气流达不到设计参数,无法形成理想的自由旋射流。