摘要:采用CLNST引入的扰流气注入技术对连续波氟化氘/氟化氢化学激光器进行数值模拟研究。模拟其3维流场有化学反应,但不考虑激射的情况。计算结果显示:加入扰流气后,平行注入的主副气流混合增强明显,气流混合速度明显加快,在喷管出口平面5 mm处即扩散至副喷管中心线位置,且小信号增益系数值明显增强。分析了流场结构得出:扰流气增强气流混合的主要方式在于使反应界面拉伸和扭曲,同时观察到有弱漩涡产生,但沿气流方向较快耗散掉,对流场影响较小。
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:cl是组分l的定压热容值;v是光腔内气体的速度;H0l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。
2 喷管阵列流场分析
2.1 流场分析
扰流氦气流量相对激光器总气流量比较大[2],主副气流在NEP后很快开始发生反应。图3为y=0.444 5mm(计算区域y方向中心位置)截面上的静压分布图,可见该截面上光腔静压较高,处于890~4 300 Pa之间,扰流氦气使主副气流分别被压缩,然后膨胀,形成比较复杂的流场结构。但由于喷管尺寸小(mm量级),且气流混合速度快,流场下游压强将很快达到较均匀分布。
图4为y向中心截面上DF(2)质量分数分布图。由图可见:在离NEP后约5 mm处反应即达到副喷管中心线位置;而无扰流气注入时大概需要经3 cm才能扩散至副喷管中心线,这与文献[2]中拍摄到的流场结构是一致的;因此扰流气对气流混合的增强效果十分明显。本文计算中,扰流氦气流量达到激光器总气体流量的9%左右,注入量较大(但不会影响对混合增强机理的判断),与文献[2]相比,所以反应开始发生的位置更靠近NEP,且氧化剂气流较先到达燃料喷管中心,双狭缝喷管主副气流的混合得到显著增强。
沿气流方向不同位置截面激发态DF(2)分子质量分数如图5所示,由图可以看出,主副气流反应物的接触面首先分别出现在基区下游,呈月牙形,沿流场方向,反应面逐渐在y和z方向上拓展,主副气流未接触的面积越来越小,最后相邻喷管间氦气层融合在一起,但在所显示的位置上,反应截面仍然是被扭曲的。因此,扰流氦气是通过扭曲和拉伸使反应界面增大的。
2.2 混合机理分析
图6为喷管阵列两个周期内氦气质量分数为0.7的等值面结构,可以看出:氦气从小孔中喷射出以后,将发生膨胀,分别在主副喷管内形成一个个类似突起的结构,压缩主副气流,以增大气流间接触面积,同时氦气受主副气流来流的动压,其截面形状由圆形发展为类似于马蹄形,因此可以说注入的氦气也类似于一个可变形的钝头实体,且沿着气流流向,氦气逐渐与主副气流混合。氦气的其它质量分数等值面也呈现类似的结构,只是截面变形的程度以及最终汇合所需的距离有所不同。
从喷管扩张段壁面喷出的氦气射流动量通量较小,最多达到音速。图7为喷管出口下游不同位置截面上矢量图,由图可知:有明显的流向漩涡出现,但强度很弱,很快就被耗散掉,且根据漩涡发生的尺度和位置,认为流向漩涡对主副气流的快速混合将不会有显著的作用。因此,我们认为TRIP喷管增强混合的主要机理是使反应界面拉伸和扭曲。
2.3 热流场分析
热流场计算可反映出化学反应对流场的影响,数据处理后可得增益介质小信号增益系数分布,从而反映流场光学特性。为使主副气流在NEP上压力尽量匹配,燃料气流与氧化剂气流并未达到最佳配比,给出的流场结构集中在光腔上游,因此,本文获得的小信号增益系数值较小,如P2(9)支谱线小信号增益峰值为1 m-1左右,且扰流氦气流量也较大(占总流量9%左右),总稀释比较大,反应释热对流场没有大的影响。但比无扰流气流场的小信号增益系数(峰值仅为0.6 m-1)有明显增强,这也是混合增强的效果。通过调节氘气及扰流氦气的流量,光腔内的增益系数值可以提高。同时,由图4可以看出:主喷管下游反应开始的位置要后于副喷管下游反应开始位置近10 mm,大于文献[2]中的5~8 mm的距离,分析认为这是氘气含量低造成的。总体来说,扰流氦气的注入将使主副气流流向和接触面在较短距离内发生较大变化,缩短气流混合距离,但同时副气流混合需穿透这样的氦气层,扰流气流量将有一定限度。
3 结 论
本文利用CLNST数值模拟了TRIP喷管阵列中心反应流场,分析认为混合增强的机理主要是扰流气使反应界面发生扭曲。模拟结果显示,在光腔内压强1 500 Pa左右情况下,扰流氦气从喷管扩张段壁面喷出后,分别对主副气流进行压缩,形成一个个可变形的钝头体,使主副气流的反应接触面发生扭曲,从而提高气流混合效率,使气流在NEP下游较短距离内即开始发生混合,产生激射。氦气射流的注入也产生了强度较小的流向漩涡,在很短的距离内即耗散掉,对气流混合增强效果并不明显。由于燃料配比未达到最优,算例中总稀释比较大,反应释热对流场结构影响不大,小信号增益系数值小于文献[2]中的测量值,但相对无扰流情况有明显增强。因此TRIP技术将有效增强气流混合效率,提高激光器效率。
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基金项目:国防科技基础研究基金资助课题
作者简介:李 兰(1983—),女,博士研究生,主要从事高能激光器数值计算研究; llnudt@163.com。
