二次喉道扩压器对COIL的影响实验.pdf

二次喉道扩压器对c olL 的影响实验蔡光明刘军王永振李春领谢秀芳朱连贵 ( 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳，6 2 1 9 0 0 ) 摘要：在C O I L 装置中采用二次喉道扩压器，可以有效隔离扩压器中的气流扰动，避免下游的气流扰 动进入光腔，改善光腔静压的稳定性，提高激光器输出功率的稳定性 关键诃：C O I L ，光腔，扩压器，总压损失，压力恢复 在氧碘化学激光器( C O I L ) 中，由于从喷管出来的激光器主气流马赫数在2 左右，正 常出光时光腔气流静压在4 ×1 3 3 P a 6 ×1 3 3 P a ，为使激光器气体顺利进入大气，激光器光 腔后需要接扩压器对其进行增压，增压后的气体通过引射器或泵抽吸顺利排出扩压器的 作用就是将光腔出来的超音速主气流转变为亚音速气流，进而增加气体出口静压，减轻扩 压器后泵或引射器的工作负荷 从流动机理看，超音速扩压段的主要功能是降低排气流速，增大排气静压气j 流流经 扩压段出口的流速越低、能量损失越小，则出口气流静压的提高就越人在扩压器中，超 音速气流会通过一系列的激波恢复转交为亚音速这一段激波恢复区称为伪激波区，伪激 波医会随着扩压器背压的改变而前后移动。

在背压较高时，激波区会向光腔方向移动，从 而导致光腔中的气流发生扰动，影响激光器的正常输出 1 二次喉道扩压器设计原理 为稳定伪激波区，可以在超扩段采用第二喉道设计超扩段中的伪激波区起着将超音 速流动转变为亚音速流动，恢复流动静压的作用伪激波区的位置和长度与超扩段的几何 构形、超扩段入口的气流马赫数以及超扩段出口静压( 背压) 有关，在超扩段中引入超音 速风洞设计中的第二喉道概念，可以将伪激波区的位置相对的固定在第二喉道内，从而减 小超扩段出口静压( 背压) 的变化对伪激波位置的影响，使光腔内的超音速流动更稳定 由第二喉道临界面积公式[ 1 l ： 善：善㈩ 巧彳?⋯p ．彳’可知，只需适当收缩扩压段截面面积A ，使A < 1 } ，则第二喉道即可形成 只 在给定激光器光腔出口气流条件时，通过计算将二次喉道固定在扩压器入口特定点， 将激波位置限制在扩压器入口处，使激波所造成的扰动限制在扩压器中，并在较短的区域 内进行压力恢复以下是计算修正的壁面型面曲线( 图1 ) 和根据此型面计算所得的核心 流静压曲线( 图2 ) ( 未考虑化学放热) 叠蔓_ 童! I ≥≥，兰舞—，一- j ：：蔓≥：j 童‘j ：量：：一j ：■i ’．； j —c 一：：i ．“：⋯．一：_ ：! = 。

一0 ．，‘：，_ ．：；；o 二毒参一_．．．．■‘：乒_ f ’一‘‘‘’ 1 ～⋯1 f ’⋯，：1 ’一．- i ‘：：：! ：：：+ 一j ：’～一’k⋯- - ．÷，- ⋯‘‘‘l ⋯_ 一 = 二：：Z ：：一一’．一：‘‘：豳I 二次喉道扩压器型面曲线( 坐标原点：扩f ＆器起始横截面中心)图2 二次喉道扩压器计算所得核心流静压曲线 2 实验结果及分析 根据计算修正所得的型面曲线对该扩压器进行了设计加工，并在现有5 K W 激光器实验装—．3 4 ——置上进行正常出光实验验证实验状态如下1 ( a )激光器上游总压在3 8 X1 3 3 P a 左右，各种气体的摩尔流量：氯气：0 ．5 7 m o l ／s ，主氦：2 ．6 m o l ／s ，副氦：0 ．4 4 m o l ／s ，碘g1 3 m m o l ／s ( b )激光器光腔增益区为1 7 0 m m ，采用平凹谐振腔，腔镜反射率为9 4 ％ ( c )扩压器构型为二次喉道扩压器，唇口为R = 5 0 m m1 ／4 圆弧，中间无隔板在保证激光器的进气参数正常的前提下，通过改变真空阀门的开度大小来改变背压， 在光腔气帘方式作用下进行正常出光实验和背压实验，验证该扩压器的隔离激波的作用和 压力恢复性能。

在相同阀门开度下，通过对光腔、扩压器壁面静压与总压的测量，并与光腔、扩压器 扩张角均为8 的标准件测试数据进行对比分析验证二次喉道扩压器对稳定光腔气流状态 与压力恢复能力以及改变背压时对出光功率的影响 2 ．1 隔离激波作用 在激光器保持进气参数不变的前提下，通过改变扩压器后真空阀门的开度大小来改变 激光器的工作背压，通过背压的增加对光腔静压的影响大小来考查二次喉道对激波的隔离 作用以下是二次喉道扩压器在加光腔盒气帘时改变阀门开度所测得的静压变化曲线及对 应的背压曲线( 图3 ) ，与8 扩张扩压器改变阀门开度所测得的静压变化曲线及对应的背压 曲线( 图4 ) ——”一一一一‘‘3 7 ’3 ‘一——∞～一一4 0 ·3 7 3 5 ·一 l 夔一㈡i | | 黍蒸警m mmm 一．≯mm ⋯m ·m 图48 扩压器在原气帘作用方式下不同阀门开度对应的气流方向壁面静压分布及背压 二次喉道扩压器型面设计曲线所得的二次喉道位置在喷管出口2 3 0m m 处，从实际测得的压力数据图3 可知实际的二次喉道位于2 9 0 m m 左右在该点处为扩压器壁面静压的转捩点 由于光腔的实际构型所限，作为光腔保护气的气帘垂直注入光腔主气流，从两侧压缩主气 流，使主气流在光轴方向进行收缩，在光腔中形成一个实际气流所形成的喉道，使从喷管 出来的超音速主气流在光腔中先收缩后扩张，造成超音速气流先减速后加速，与之相对应 的光腔气流方向静压先升后降。

光腔中最大收缩点位于1 4 5 m m 左右，在该点后气流变为亚音 速在进入扩压器后，在二次喉道之前，扩压器由于改变型面结构，人为地使气流流道收 缩，并在2 9 0 m m 处形成一道节流点经光腔喉道出来的亚音速主气流先收缩后扩张，反映为 壁面静压的先降后升 在对扩压器中的亚音速气流的隔离作用上，由于二次喉道的存在，使得在背压发生改 变时，气流的转捩区稳定地控制在扩压器入口一段较短的区域之内在真空阀阀门开度从 9 0 减d , N3 5 过程中( 此时激光器背压为5 ×1 3 3 P a ～1 1X1 3 3 P a ) ，气流的转捩区基本控一3 5 —制在2 9 0 r a m 处在阀I ’J 开度为3 3 时( 此时背压为1 3 ×1 3 3 P a ) ，气流的转捩区在2 4 0 m m ～ 2 9 0 m m 之间，除了光腔壁面静压接体有所提升外，其趋势并未发生改变，也就是说光腔中 的气流并朱受到扩压器气流的干扰在保证激光器基本正常出光条件下，二次喉道扩压器 背压能够达到1 3 X1 3 3 P a 以上扩张扩压器中，真空阀门开度从9 0 减小到3 7 时( 此时激光器背压为5 ×1 3 3 P a ～1 0 ．5 ×1 3 3 P a ) ，气流的转捩区基本在2 4 0 m m 处。

随着背压 的升高( 阀门开度3 5 此时背压1 1 ．8 ×1 3 3 P a ) ，气流的转捩区前移到2 0 0 m m 处因此， 用二次喉道来隔离卜．游激波对光腔气流的干扰、减小转捩区的长度的效果是明显的 2 ．2 压力恢复性能为考证二次喉道扩压器的压力恢复性能，在实验中分别测量了二次喉道的髓面静斤： 出入口总压以及喷管上游总压在保证激光器土E 常出光的前提‘卜，在保持相同背压条例：卜． 比较8 扩张角扩压器与二次喉道扩压器内的总压损火人小以及光腔静压的稳定情况2 ．2 ．1 ．1光腔静压光腔静压对丁化学氧碘激光器的出光具有相当人的影响卜．，气相扩散变慢，O ，( △) 的淬灭更为严重旧‘所以腔乐过高会引起增益区中O ，( ‘△) 的气相停留时间增加，淬灭加快，影响D ’( △) 的利用率，使激光器所能提取的功率降低例5 二次喉道及8 扩张伯扩J ：k 器不同阀门开厦的光轴壁i l i ：i 静压 图5 所示曲线是二次喉道扩压器与8 扩张角扩压器在不同阀门开度卜．光腔壁面静压的 变化曲线在低背压时( 阀门开度在9 0 至t J 3 7 背压从5 ×1 3 3 P a ～1 0 x1 3 3 P a ) ，二次喉 道扩压器与8 。

扩张扩压器相比对光轴静压的影响较火，在出光期间，光腔静压随时间的增 长有所升高，但基本维持在4 x1 3 3 P a ～6 ×1 3 3 P a ，不影响激光器出光这是由于在光腔出 口气流受到二次喉道的压缩，气流有所减速，导致静压上升，进而影响光轴静压但随着 背压的升高，即阀门开度3 5 时( 背压在1 1 ×1 3 3 P a 左右) ，二次喉道扩压器对光腔静压的 影响降低，光腔静压平稳维持在6x1 3 3 P a ，但对8 扩压器此时对光腔静压的影响较大，光 腔静压出现波动，扩压器中的气流扰动已经对光腔中的气流产生影响因此，二次喉道扩 压器在高背压条件下，更适合现在的C O I L 2 ．2 ．1 ．2 总压损失 在激光器中，扩压器出口总压与碘喷管入口总压的比值表明了扩压器的压力恢复能力 比值越火，所能恢复的压力占前端来流的百分比越大，该扩压器的压力恢复性能越好 一Y O⋯’4 0 ’：1 7 3 甲一‘‘一’：I =一- 一一一一-^ ．，5 一．．一．”nOm5耋n ． } 皑0 1 曲 量”‘n l0—3 6 一图6 - 二次喉道扩压器、8 扩张角扩眶器不同阀门开度对应的扩压器出口总压／卜游压力在图6 曲线中，可以看出，随着阀门开度的减小，扩压器出口总压与上游总压的比值逐 渐升高，这是由于随着抽吸能力的减小，扩压器中气流流动的速度减缓，摩擦损失降低导 致总压损失减少，使得可供恢复的总压升高。

二次喉道扩压器与8 张角扩压器相比较而言， 除在9 0 开度时，比值低于8 张角扩压器，其余相同阀门开度条件下，二者的比值基本相 等，在3 3 时还要稍高于8 张角扩压器通过比较，在背压较低时，二次喉道扩压器的压 力恢复性能与8 张角扩压器性能相当：在高背压条件下，比值比8 张角扩压器高，也就 是说，二次喉道更适合于激光器在高背压条件下工作 2 ．3 出光功率 激光器的输出功率是检验激光器是否工作在正常状态的最直观的判据表l 、图7 分 别为两种扩压器不同阀门开度下的输出能量和功率波形表i二次喉道扩压器与8 扩张角扩压器在不同阀门开度F 输出能量对比I阀门开度9 0 4 0 3 7 3 5 3 34ll二次喉道扩压器输出能量( 1 ( J )1 6 ．81 8 ．71 81 8 ．61 4 ．6l8 喉道扩压嚣输出能量( 1 ( J )1 8 ．82 2 ．61 5 ．61 4 ．81 2 ．4一∞一一4 0 ’3 7 ‘3 5 ’一‘一∞一～一一4 0 ’_ 襻鬻雾蒸暑：一’坩～：‘⋯，‘槭-驴．iI ．：廿’■一～ ‘1 1 ”’i ’图7 二次喉遭扩压器和8 ’张角扩压器在不l 司阀门开厦对应的输出功率 从表l 可知，在二次喉道扩压器作用下，在阀门开度从9 0 。

到3 5 时，激光器的输出 能量几乎不发生改变；在3 3 开度时，输出能量与正常出光时比较大约降低2 0 ％而对于 8 扩张角扩压器，随着阀门开度的减小，输出能量随着降低，没有一个稳定的区间，到 3 3 开度时，输出能量正常出光时比较大约降低了4 0 ％左右从图7 也可以看出，功率波 形随阀门开度的降低不发生改变，与正常出光时的波形完全一致 3 结论通过二次喉道扩压器与8 扩张扩压器的实验对比，可以得出以下结论：a )二次喉道扩压器能够有效隔离扩压器下游气流对光腔的干扰，显著减小转捩区长度， 并将转捩区控制在扩压器内b )在激光器背压升高时，二次喉道扩压器稳定光腔静压更有效率c )二次喉道扩压器更适合于激光器在高背压条件下工作d )随着背压的升高，二次喉道扩压器条件下激光器输出能量比8 扩压器的稳定性更强， 出光条件更宽松 参考文献 [ I。