Газодинамика проточной части газодинамических и химических лазеров тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

//

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

На правах рукописи

УДК 621.375:533.697

Кталхерман Марат Григорьевич

ГАЗОДИНАМИКА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ, И ХИМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

01.02.05 — механика жидкостей, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1998

Оглавление

Список основных обозначений 5

Введение 7

Газодинамический лазер..........................................10

Химические лазеры................................................17

Газодинамика мощных лазеров. Проблемы и постановка задач исследования. .............................................24

1 Решетка плоских сопел 35

1.1 Состояние вопроса и задачи исследований................35

1.2 Исследование газодинамических сопел с различным контуром профилированных стенок............................42

1.2.1 Радиусные сопла и сопла минимальной длины . . 43

1.2.2 Эллиптический контур. . . .........................59

1.3 Структура потока над боковой стенкой плоского сопла. 65

1.4 Влияние газодинамической структуры потока на оптические характеристики активной среды СО*2 — ГДЛ. ... 86

1.5 Результаты тестирования некоторых моделей

расчета течения релаксирующей смеси газов в сопле . . 98

1.6 Влияние технологических факторов и особенностей конструкции соплового блока на газодинамическое качество потока............................ . 105

1.7 Основные результаты.........................112

2 Решетка осесимметричных сопел 117

2.1 Состояние вопроса и задачи исследования................117

2.2 Параметрический анализ характеристик полностью перемешанного потока..........................................121

2.3 Экспериментальное исследование течения в области перемешивания ..................................................131

2.3.1 Влияние формы контура индивидуального микросопла на динамику выравнивания профилей газодинамических параметров............................131

2.3.2 Характеристики сотовых блоков с различным углом раствора индивидуальных микросопел. . . 139

2.3.3 Механизм затуханий возмущений плотности. . . 144

2.3.4 Донное давление........................................148

2.4 Сопоставление осредненных и пульсационных характеристик потока в каналах с сотовым блоком и плоским соплом..........................................................150

2.5 Характеристики пограничного слоя на стенке канала. . 154

2.6 Сравнение результатов расчета с экспериментом..........156

2.7 Коэффициент расхода индивидуального сопла............157

2.7.1 Методика экспериментов............................158

2.7.2 Результаты измерений и их анализ................159

2.8 Течение лазерно-активной смеси............................166

2.9 Основные результаты.................................180

Характеристика потока за срезом лопаточного соплового блока 186

3.1 Состояние вопроса и задачи исследования................186

3.2 Установка, модели и методика измерений. . .'............190

3.3 Характеристики пограничного слоя на срезе сопла. ... 194

3.4 Результаты экспериментов и их анализ....................196

3.4.1 Общая картина течения в канале..................196

3.4.2 Донное давление......................................199

3.4.3 Профили газодинамических параметров в поперечных сечениях канала ............................205

3.4.4 Ядро потока............................................210

3.4.5 Характеристики потока на оси и границе следа. . 212

3.4.6 Толщина потери импульса............................215

3.4.7 Обобщение опытных данных..................218

3.5 Основные результаты........................................226

4 Псевдоскачок в прямоугольном канале. 230

4.1 Обзор литературы и постановка задачи....................230

4.2 Установка, методика измерений и условия экспериментов. 236

4.3 Давление на стенке канала....................................240

4.4 Параметры потока в поперечных сечениях псевдоскачка. 244

4.5 Протяженность псевдоскачка.Результаты измерений и обобщение......................................................247

4.6 Эффективность восстановления давления..................251

4.7 Влияние вязкости на характеристики псевдоскачка. . . 259

4.7.1 Эффективность восстановления давления с учетом трения в области псевдоскачка..................260

4.7.2 Расчет режима предельных потерь на трение при торможении сверхзвукового потока..................261

4.7.3 Длина псевдоскачка при различной толщине пограничного слоя........................................267

4.8 Параметрический анализ эффективности восстановления давления в потоке за сотовым соплом........................270

4.9 Интенсификация процесса смешения в псевдоскачке. . . 282

4.10 Основные результаты...........................292

5 Сверхзвуковой диффузор. 297

5.1 Состояние вопроса............................................297

5.2 Методика эксперимента.............•............303

5.3 Результаты экспериментов..................................307

5.3.1 Давление на стенке....... ......................307

5.3.2 Условия запуска и срыва....... ................311

5.4 Анализ результатов измерений....... ................312

5.4.1 Критерии эффективности диффузоров..............312

5.4.2 Эффективность восстановления давления .... 315

5.4.3 Влияние геометрии проточной части диффузора

на давление запуска и срыва........................317

5.4.4 Характеристики коротких диффузоров............321

5.4.5 Обобщение экспериментальных данных. Сопоставление с другими работами.....'............338

5.5 Масштабный фактор при исследовании характеристик диффузоров....................................................350

5.6 Новые перспективные схемы диффузоров..................357

5.7 Анализ характеристик диффузора химического кислород — йодного лазера..........................................368

5.7.1 Исходные данные........ ......................369

5.7.2 Метод анализа......... ........................370

5.7.3 Результаты и обсуждение.....................372

5.8 Основные результаты......... ........................376

Заключение 380

Список литературы 384 Приложение

Акт об использовании материалов диссертации 408

с

Список основных обозначений

— декартовы координаты Н* — высота критического сечения сопла Н, Н — высота сопла на выходе; высота канала А — площадь сечения Ь — длина сопла

в, — текущий и начальный угол наклона контура сопла

с?* — критический диаметр сопла

с?е, Ае — диаметр и площадь сопла на выходе

«о — полуугол расширения осесимметричного сопла

— высота, ширина, длина и площадь горла диффузора 1(1 —длина диффузора

/о — расстояние между соплом и диффузором 18 — длина псевдоскачка

а — эффективный (эквивалентный) размер прямоугольного сечения

6, В — ширина канала

£ — толщина кромки сопловой лопатки

6 — толщина пограничного слоя

6* — толщина вытеснения пограничного слоя

(5** — толщина потери импульса пограничного слоя

в — толщина потери импульса следа

и> — угол наклона боковой стенки сопла

и — скорость потока

р — давление

Т — температура

р — плотность

к — показатель адиабаты

ро, То, ро — параметры торможения

р+ — давление запуска диффузора

/)_ — давление срыва течения в диффузоре

Р+, Р- — параметры идеального диффузора

Рь Р2 — давление в начальном и конечном сечениях псевдоскачка

а — коэффициент восстановления полного давления

Л — коэффициент скорости

д(А), у(Х) — газодинамические функции

ръ — донное давление

р'о — давление за прямым скачком

(т) — среднеквадратичная пульсация массового расхода

/г, ц* — коэффициент расхода сопла

С<1 — коэффициент сопротивления

М — число Маха

М° — геометрическое число Маха

11е — число Рейнольдса

Ко — коэффициент усиления слабого сигнала I — интенсивность излучения Е — запасенная колебательная энергия Т{ (г = 1 — 5) — колебательная температура

Введение

Со времени открытия в 1959 г. принципа работы газового лазера [1] достигнут впечатляющий прогресс во всех областях науки, на стыке которых развиваются исследования в области мощных лазерных систем непрерывного действия: физической и химической кинетике, квантовой электронике, химии высоких энергий, спектроскопии и газовой динамики. За короткий период пройден путь от демонстрации принципиальной возможности получения генерации когерентного излучения до создания установки мегаваттного класса.

В настоящее время во всех газовых лазерах, обеспечивающих получение высокой мощности излучения в непрерывном режиме, используются высокоскоростные потоки газа. Известными в газодинамике способами можно управлять параметрами потока, влияя тем самым на скорость физических и химических процессов, ведущих к образованию инверсии населенностей.

Использование теплового возбуждения квантовой системы с целью генерации когерентного электромагнитного излучения предложено в [2], а в работе [3] описана принципиальная геометрия канала с быстрым охлаждением газа в сверхзвуковом сопле для получения инверсии населенности. Конкретное предложение о создании газодинамического лазера (ГДЛ) на смеси углекислого газа с азотом, расширяющейся в сверхзвуковом сопле, было выдвинуто в работе [4]. Очень скоро были установлены методы реализации тепловой накачки [5-7] и условия, необходимые для работы ГДЛ [8, 9]. Уже в конце 1970 г. сообщалось о создании непрерывного СО2-ГДЛ мощностью 60 кВт [10], работавшего на продуктах сгорания.

В конце 60-х — начале 70-х годов исследование мощных лазерных систем велось по нескольким направлениям. Были созданы электрораз-' рядные С02-лазеры с быстрым протоком газа и стабилизацией разряда с помощью электронного пучка [11, 12] и СО-лазеры со сверхзвуковым потоком в области разряда [13, 14].

Существенные успехи в эти годы были достигнуты в области химических лазеров, основные принципы которых были изложены в [15]. В этой работе было указано на возможность использования колебательно-возбужденных молекул, образующихся в ходе химических реакций, для создания химического лазера в инфракрасном диапазоне. Преимущества цепных процессов для создания химических лазеров рассмотрены в [16], а в работе [17] представлен анализ кинетических аспектов химических лазеров. Впервые генерация в химических лазерах получена при взрыве смеси водорода с хлором, инициированном фотолизом [18]. Более важным событием явилось создание сверхзвукового химического НГ-лазера диффузионного типа [19, 20]. В этой системе атомарный фтор образуется в камере сгорания в результате диссоциации. Затем поток, содержащий атомарный фтор, быстро расширяется в решетке малоразмерных сверхзвуковых сопел, благодаря чему концентрация фтора замораживается. На выходе из сопел в первичный поток вдувается водород. Лазерный эффект достигается в зоне горения.

Все многообразие других типов мощных лазеров непрерывного действия в принципиальном плане можно свести к описанным выше схемам: во всех случаях имеет место взаимодействие сильно неравновесных явлений и сложных, но во многом сходных течений газа.

Наибольший интерес среди дальнейших разработок представляет химический кислород-йодный лазер, интенсивные исследования которого начались в 1978 г. [21]. Энергетическим источником в этом лазере является гетерогенная реакция газообразного хлора с раствором пери-киси водорода и щелочи, в результате которой образуется, синглетный

кислород в состоянии О2 ('А)- Электронно-возбужденный кислород используется для диссоциации небольшого количества йода, впрыскиваемого в поток. Лазерная энергия, запасенная в О2 ^Д), передается затем атомам йода. Эта система работает при низком давлении (р = 520 Topp) с использованием гелия в качестве разбавителя [22].

Настоящая работа посвящена газодинамическим аспектам мощных газодинамических и химических лазеров непрерывного действия. В ней последовательно рассмотрены газодинамические процессы в проточной части лазерных систем, оказывающие сильное влияние на их энергетические и массо-габаритные характеристики. Работа была начата в начале 70-х годов. К этому времени газодинамические и химические лазеры стали реальностью. Во многих лабораториях интенсивно велись исследования, направленные на поиск оптимальных условий организации процесса, совершенствовались физические и расчетные модели. На небольших лабораторных установках исследователи занимались прак-' тически всем комплексом задач. В это время стала очевидной необходимость подключения к решению этой, на первый взгляд, физической проблемы узких специалистов из смежных областей науки. За счет такого объединения усилий стало возможным быстрое продвижение по пути создания высокоэффективных крупномасштабных установок. С другой стороны, благодаря такому сотрудничеству было положено начало формированию новых разделов науки, заметное место среди которых занимает газодинамика лазеров.

Место и роль газодинамики в комплексе проблем, связанных с созданием мощных лазерных систем, необходимо рассматривать в контексте общих тенденций в этой области с учетом особенностей физического процесса и ограничений технологического и технического характера.

Газодинамический лазер.

После появления первых публикаций по газодинамическим СО2-лазерам предпринимались попытки создания ГДЛ на активных смесях, в которых генерация осуществлялась на колебательно-вращательных переходах молекул СО, СБг, N20. По разным причинам эти системы оказались неподходящими для установок большой мощности. Анализ соответствующих исследований можно найти в монографиях [23, 24]. Вплоть до настоящего времени единственным (среди возможных) вариантом, пригодным для технической реализации, является СО2-ГДЛ, работающий на длине волны А = 10,6 мкм.

Рабочая смесь СО2-ГДЛ состоит из азота, углекислого газа и небольшого количества паров воды. На рис. 1. показана схема нижних энергетических уровней молекул СО2 и N2. Азот в рабочей смеси выполняет роль резервуара колебательной энергии, которую он эффективно передает на уровень (001) молекулы СО2, находящейся в близком к резонансному положению с первым колебательным уровнем N2. Роль паров воды состоит в ускорении опустошения нижнего лазерного уровня (100) молекулы СО2.

Принципиальная схема ГДЛ показана на рис. 2. Нагретая в ресивере и находящаяся в равновесном состоянии смесь газов поступает в область оптического резонатора через решетку сверхзвуковых сопел и затем с помощью диффузора выбрасывается в атмосферу. Геометрия индивидуального сопла выбирается такойб чтобы обеспечить быстрое охлаждение потока. Если скорость изменения поступательно-вращательной температуры больше скорости релаксации колебательной энергии смеси, поток в сопле становится неравновесным. Населенности возбужденных колебательных уровней N2 и уровней (001) молекулы СО2 в сверхзвуковой части сопла практически замораживаются, при этом их колебательная температура близка к температуре газа в критическом сечении сопла, в то время как колебательная температура

10

Я(сз, сг) оз

ю

Шсз) 01

-О-

'001

100

030

ого

ю

Р (С2, о ООО

и=1

_____то.

ООО ООО ___

сог(у2) со2^3)

у^О

10

Рис. 1. Схема нижних энергетических уровней молекул С02 и N2-

1

Рис. 2. Схема газодинамического лазера

/_ камера сгорания; г — диффузор; Л — сопловая решетка; ■) — .-:■. ^риый луч .

уровня (100) СО2 "следит" за термодинамической температурой потока. Таким образом в сверхзвуковой части сопла реализуются условия, необходимые для получения инверсии населенностей.

Основным источником лазерного излучения в СО2-ГДЛ является колебательная энергия азота. На входе в сопло ее доля в энтальпии смеси относительно невелика (~ 10% при Т — 2000 К). Квантовый к.п.д. СОг-лазера, равный отношению энергии фотона к энергии верхнего лазерного уровня составляет ~ 40%. С учетом этих факторов реально достигаемый к.п.д. мощных СО2-ГДЛ невысок (< 1%). Поэтому основное направление исследований было связано с попытками повышения эффективности преобразования энергии и удельной мощности излучения за счет увеличения доли запасаемой в потоке колебательной энергии и уменьшения релаксационных потерь в сопле.

Первая задача решалась путем повышения начальной температуры газа, а вторая — за счет оптимизации геометрии сопла и состава смеси. Мощные СО2-ГДЛ работают на продуктах горения углеводородных топлив, в составе которых есть все необходимые компоненты (СО2, Н2О, N2) или на "искусственных" смесях оптимального состава, нагреваемых в высокотемпературном регенеративном теплообменнике [25]. Простота получения больших расходов лазерно-активных сред делает СО2-ГДЛ конкурентоспособными с химическими и электроразрядными системами, обладающими более.высоким к.п.д..

За время существования газодинамических лазеров технология СО2-ГДЛ прошла несколько этапов развития. Согласно терминологии, предложенной Андерсоном [24], можно выделить три поколения СО2-ГДЛ. Хотя четкой границы между ними нет, каждому поколению лазеров соответствует определенный диапазон определяющих параметров, к числу которых относятся параметры торможения (ро? ?о), геометрия сопла (высота критического сечения 1г*, отношение площадей Ае/А*) и состав смеси. Не все из перечисленных параметров полностью независимы. Действительно, чтобы населенность нижнего лазерного уровня

была пренебрежимо малой, статическая температура потока на выходе из сопла Те (и близкая к ней колебательная температура симметричной моды СО2) должна быть на уровне « 300 К. При заданном значении То отношение Те/То определяет оптимальную степень расширения сопла ' Ае/А* (и число Маха Ме на выходе). С другой стороны, мощные СО2-ГДЛ работают с выхлопом в атмосферу, а диффузоры с фиксированной