一種平行流超音速氧碘混合噴管的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種平行流超音速氧碘混合噴管，用于超音速注碘的氧碘化學(xué)激光器出光運(yùn)行或平行流超音速混合流場(chǎng)的研究。該噴管的主要特征為：氧、碘兩股氣流均為超音速且平行流混合；在碘噴管出口安裝有兩排特殊的擾動(dòng)翼片，以增強(qiáng)混合效果；通過(guò)噴管模塊上法蘭下沉設(shè)計(jì)，保證了沿流向噴管出口以后流場(chǎng)可視，以方便混合流場(chǎng)的測(cè)試研究。為了實(shí)現(xiàn)該噴管的上述功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的加工工藝流程。相對(duì)于目前氧碘化學(xué)激光器上常用的亞音速橫向流注碘混合噴管，該噴管的注碘方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，為超音速注碘的氧碘化學(xué)激光器設(shè)計(jì)研究和平行流超音速混合流場(chǎng)的研究提供了方便。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種平行流超音速氧捵混合噴管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平行流超音速氧碘混合噴管，用于超音速注碘的氧碘化學(xué)激光器出光運(yùn)行或平行流超音速混合流場(chǎng)的研究。
【背景技術(shù)】
[0002]目前常見(jiàn)的超音速氧碘化學(xué)激光器(COIL)—般采用碘及其載氣的進(jìn)氣方式是在噴管喉道上游的亞音速段注入。亞音速段注碘可以獲得較好的注入碘和主氧氣流的混合，并且在用氦氣高度稀釋的02 (al Λ )氣流中實(shí)現(xiàn)12的解離。這些增益介質(zhì)隨后在一個(gè)超音速?lài)姽苤信蛎?，以降低氣流溫度，從而降低了?shí)現(xiàn)粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)和正增益所要求的02 (alA)的閾值產(chǎn)率。這一方法已經(jīng)在許多高效的COIL裝置上成功地得到了應(yīng)用。但是在亞音速注碘，相對(duì)于單重態(tài)氧發(fā)生器(SOG)氣流，碘及其載氣的流量是不可忽略的，因此碘及其載氣的注入會(huì)造成主氣流壓力升高及速度下降，同時(shí)由于噴管的亞音速段壓力較高而且離光腔的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，因此亞音速段氧碘混合方案的激發(fā)態(tài)粒子猝滅損失較大，這就會(huì)影響氧碘化學(xué)激光器的運(yùn)行效率。
[0003]通過(guò)碘及其載氣在超音速段注入，可以避免由注入氣流產(chǎn)生的主氣流的壓力升高和速度下降，以減少02 (al Λ )的猝滅過(guò)程，為下游激光提取提供更多的02(al Λ)。超音速段注碘的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是該方案更適合于非氦氣做載氣的C0IL，如氮載氣COIL或二氧化碳載氣COIL。這些氣體做載氣的主要優(yōu)勢(shì)是成本較低，但是由于這些氣體的分子量都大于氦氣，因此其在管道內(nèi)的流速也相應(yīng)較慢，在這種情況下，如果仍然采用亞音速段注碘，會(huì)造成更大的02(alA)損失，因此在這種情況下，超音速段注碘是一個(gè)必然的選擇。此外超音速混合還有可能在腔內(nèi)獲得更均勻的功率分布，從而減小腔鏡變形對(duì)激光器性能表現(xiàn)帶來(lái)的影響。
[0004]國(guó)外對(duì)超音速氧碘混合的研究大概始于上世紀(jì)90年代末。1999年美國(guó)空軍武器實(shí)驗(yàn)室的Madden，T.J.和G.D.Hager等人報(bào)道了他們對(duì)超音速氧碘化學(xué)激光器(氦氣為主稀釋氣)上幾種不同注碘方案的模擬計(jì)算比較，包括亞音速段注入碘分子、超音速段注入碘分子和超音速段注入碘原子等。他們通過(guò)CFD模型計(jì)算，比較了上述三種方案的激光器的性能，對(duì)兩個(gè)超音速段注碘方案得到了比較積極的結(jié)果。隨后以色列人設(shè)計(jì)了一種超音速段橫向流注碘的氧碘混合噴管，并在COIL上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)探索，取得了很好的研究成果。日本人在這方面也做了很多探索工作，他們創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種“X”形的超音速?lài)姽?，大大提高了超音速混合的效率，其化學(xué)效率達(dá)到了 33%左右。
[0005]基于前人的一些研究成果和研究經(jīng)驗(yàn)，本專(zhuān)利創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一種超音速平行流混合的氧碘混合噴管，配合特殊設(shè)計(jì)的擾動(dòng)翼片的增強(qiáng)混合，該噴管在COIL運(yùn)行和流場(chǎng)測(cè)試研究方面得到了成功的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種平行流超音速氧碘混合噴管，用于超音速注碘的氧碘化學(xué)激光器出光運(yùn)行或平行流超音速混合流場(chǎng)的研究。其主要組成部分為(圖1):噴管主體、上法蘭、下法蘭、氧氣噴管、碘噴管、加熱孔、擾動(dòng)翼片。
[0007]噴管主體的外形為長(zhǎng)方體，于其內(nèi)部沿長(zhǎng)度方向設(shè)有條狀空腔，由噴管主體內(nèi)部空腔構(gòu)成氧氣噴管，噴管主體高度方向的下端設(shè)有氧氣噴管入口、高度方向的上端設(shè)有氧氣噴管出口，碘噴管沿噴管主體的長(zhǎng)度方向置于噴管主體內(nèi)部空腔中，碘噴管將噴管主體的內(nèi)部空腔沿噴管主體的寬度方向分隔成二個(gè)平行的互不連通的氧氣噴管通道；
[0008]碘噴管為密閉的中空條狀體。
[0009]碘噴管為收縮-擴(kuò)張噴管，噴管的碘出口位于靠近氧氣噴管出口一側(cè)的碘噴管壁面上；
[0010]靠近氧氣噴管出口一側(cè)的碘噴管內(nèi)腔為擴(kuò)張段、靠近氧氣噴管入口一側(cè)的碘噴管內(nèi)腔為收縮段；
[0011]沿噴管主體的長(zhǎng)度方向、于碘噴管的兩端壁面上設(shè)有與碘噴管內(nèi)部收縮段所處空腔相連的碘入口；
[0012]沿噴管主體的長(zhǎng)度方向，于碘出口處的碘噴管壁面上設(shè)有擾動(dòng)翼片；
[0013]擾動(dòng)翼片為上端帶有方齒結(jié)構(gòu)的條狀體,條狀體上的方齒向碘出口傾斜；
[0014]沿噴管主體的長(zhǎng)度方向、于碘噴管內(nèi)部收縮段所處空腔的壁面上設(shè)有加熱孔，力口熱孔內(nèi)設(shè)置有電加熱管，以防止碘蒸氣在噴管壁面凝結(jié)。
[0015]于氧氣噴管入口和氧氣噴管出口的噴管主體上分別設(shè)有上法蘭和下法蘭，上法蘭采用下沉設(shè)計(jì)，即上法蘭與主體連接面位于噴管出口平面下方；這樣在與上方測(cè)試段連接時(shí)，可以使得測(cè)試段的窗口最低可視面與噴管出口平齊，以方便流場(chǎng)測(cè)試研究；
[0016]下法蘭與單重態(tài)氧發(fā)生器連接。
[0017]噴管主體的外形為一長(zhǎng)方體，建立坐標(biāo)系，以噴管主體的寬度方向?yàn)閄軸，高度方向?yàn)閥軸，長(zhǎng)度方向?yàn)閦軸，其中圓點(diǎn)ο位于噴管主體下方氧氣噴管入口面的幾何中心(圖2)；
[0018]基于上述坐標(biāo)系，噴管主體關(guān)于yoz平面軸對(duì)稱(chēng)；其中氧氣噴管有兩個(gè)關(guān)于yoz平面對(duì)稱(chēng)通道；碘噴管有一個(gè)通道，位于氧噴管兩個(gè)通道中間，且關(guān)于yoz平面對(duì)稱(chēng)；氧氣噴管出口與碘噴管出口平齊，且出口氣流平行。
[0019]氧氣噴管右側(cè)通道壁面型線(xiàn)從氧氣噴管出口到入口為:超音速段由兩段半徑均為56.16mm的圓弧(第一、第二圓弧S1、S2)形成，其圓心坐標(biāo)分別為(-45.2，75.6)和(59.4，75.6);喉道由兩段半徑均為4mm的圓弧(第三、第四圓弧S3、S4)形成，其圓心坐標(biāo)分別為(1.1,60.6)和(13.1,60.6);亞音速段左右兩側(cè)分別有兩段圓弧和它們中間一段直線(xiàn)組成:左側(cè)為第五圓弧S5 (半徑28mm,圓心(31.5，50.6))、第七圓弧S7 (半徑37mm,圓心(-30.7, 20.1))和中間一段直線(xiàn)；右側(cè)為第六圓弧S6 (半徑37.1mm，圓心(-15，30.6))、第八圓弧S8 (半徑54mm，圓心(-30.7,20.1))和中間一段直線(xiàn)；
[0020]碘噴管通道壁面型線(xiàn)為:其左右兩側(cè)壁面型線(xiàn)關(guān)于I軸對(duì)稱(chēng)；喉道寬度為1_ ;擴(kuò)張段由左右兩條對(duì)稱(chēng)斜線(xiàn)形成，其沿流向長(zhǎng)度為10_，出口寬度5.4mm ;收縮段左右兩側(cè)分別由一段斜線(xiàn)、一端直線(xiàn)和一個(gè)1/4圓弧組成；其中斜線(xiàn)沿氣體流向長(zhǎng)度為5mm ;兩段直線(xiàn)間距5mm ;圓弧直徑5mm,圓弧圓心坐標(biāo)為(0，25.6)。
[0021]噴管主體內(nèi)部空腔在z軸方向的長(zhǎng)度視所匹配的氧碘化學(xué)激光器的流量條件而定，具體計(jì)算公式為:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種平行流超音速氧碘混合噴管，包括 噴管主體(1)的外形為長(zhǎng)方體，于其內(nèi)部沿長(zhǎng)度方向設(shè)有條狀空腔，由噴管主體(1)內(nèi)部空腔構(gòu)成氧氣噴管(4)，噴管主體(1)高度方向的下端設(shè)有氧氣噴管(4)入口、高度方向的上端設(shè)有氧氣噴管(4)出口，碘噴管(5)沿噴管主體(1)的長(zhǎng)度方向置于噴管主體(1)內(nèi)部空腔中，碘噴管(5)將噴管主體(1)的內(nèi)部空腔沿噴管主體(1)的寬度方向分隔成二個(gè)平行的互不連通的氧氣噴管通道；碘噴管(5)為密閉的中空條狀體，其特征在于: 碘噴管(5)為收縮-擴(kuò)張噴管,噴管的碘出口位于靠近氧氣噴管(4)出口一側(cè)的碘噴管(5)壁面上； 靠近氧氣噴管(4)出口一側(cè)的碘噴管(5)內(nèi)腔為擴(kuò)張段、靠近氧氣噴管(4)入口一側(cè)的碘噴管(5)內(nèi)腔為收縮段； 沿噴管主體(1)的長(zhǎng)度方向、于碘噴管(5 )的兩端壁面上設(shè)有與碘噴管(5 )內(nèi)部收縮段所處空腔相連的碘入口； 沿噴管主體(1)的長(zhǎng)度方向，于碘出口處的碘噴管(5)壁面上設(shè)有擾動(dòng)翼片(7)； 擾動(dòng)翼片(7)為上端帶有方齒結(jié)構(gòu)的條狀體,條狀體上的方齒向碘出口傾斜； 沿噴管主體(1)的長(zhǎng)度方向、于碘噴管(5)內(nèi)部收縮段所處空腔的壁面上設(shè)有加熱孔(6)，加熱孔(6)內(nèi)設(shè)置有電加熱管，以防止碘蒸氣在噴管壁面凝結(jié)。
2.按照權(quán)利要求1所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于: 于氧氣噴管(4)入口和氧氣噴管(4)出口的噴管主體(1)上分別設(shè)有上法蘭(2)和下法蘭(3)，上法蘭采用下沉設(shè)計(jì)，即上法蘭與主體連接面位于噴管出口平面下方；這樣在與上方測(cè)試段連接時(shí)，可以使得測(cè) 試段的窗口最低可視面與噴管出口平齊，以方便流場(chǎng)測(cè)試研究； 下法蘭與單重態(tài)氧發(fā)生器連接。
3.按照權(quán)利要求1所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于: 噴管主體的外形為一長(zhǎng)方體，建立坐標(biāo)系，以噴管主體的寬度方向?yàn)閄軸，高度方向?yàn)閥軸，長(zhǎng)度方向?yàn)閦軸，其中圓點(diǎn)ο位于噴管主體下方氧氣噴管(4)入口面的幾何中心；基于上述坐標(biāo)系，噴管主體關(guān)于yoz平面軸對(duì)稱(chēng)；其中氧氣噴管有兩個(gè)關(guān)于yoz平面對(duì)稱(chēng)通道；碘噴管有一個(gè)通道，位于氧噴管兩個(gè)通道中間，且關(guān)于yoz平面對(duì)稱(chēng)；氧氣噴管出口與碘噴管出口平齊，且出口氣流平行。
4.按照權(quán)利要求2所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于: 氧氣噴管(4)右側(cè)通道壁面型線(xiàn)從氧氣噴管(4)出口到入口為:超音速段由兩段半徑均為56.16mm的圓弧(第一、第二圓弧S1、S2)形成，其圓心坐標(biāo)分別為(-45.2，75.6)和(59.4，75.6);喉道由兩段半徑均為4mm的圓弧(第三、第四圓弧S3、S4)形成，其圓心坐標(biāo)分別為(1.1, 60.6)和(13.1, 60.6);亞音速段左右兩側(cè)分別有兩段圓弧和它們中間一段直線(xiàn)組成:左側(cè)為第五圓弧S5 (半徑28mm,圓心(31.5，50.6))、第七圓弧S7 (半徑37mm,圓心(-30.7, 20.1))和中間一段直線(xiàn)；右側(cè)為第六圓弧S6 (半徑37.1mm，圓心(-15，30.6))、第八圓弧S8 (半徑54mm，圓心(-30.7，20.1))和中間一段直線(xiàn)； 所有圓弧與圓弧和圓弧與直線(xiàn)的連接均為相切平滑連接。
5.按照權(quán)利要求2所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于: 碘噴管(5)通道壁面型線(xiàn)為:其左右兩側(cè)壁面型線(xiàn)關(guān)于y軸對(duì)稱(chēng)；喉道(13)寬度為Imm;擴(kuò)張段(12)由左右兩條對(duì)稱(chēng)斜線(xiàn)形成，其沿流向長(zhǎng)度為10mm，出口(Il)寬度5.4mm；收縮段(14)左右兩側(cè)分別由一段斜線(xiàn)、一端直線(xiàn)和一個(gè)1/4圓弧組成；其中斜線(xiàn)沿氣體流向長(zhǎng)度為5mm ;兩段直線(xiàn)間距5mm ;圓弧直徑5mm,圓弧圓心坐標(biāo)為(0，25.6)。
6.按照權(quán)利要求1所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于: 噴管主體內(nèi)部空腔在z軸方向的長(zhǎng)度視所匹配的氧碘化學(xué)激光器的流量條件而定，具體計(jì)算公式為:
7.按照權(quán)利要求1所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于: 擾動(dòng)翼片(7)長(zhǎng)度與噴管主體內(nèi)腔長(zhǎng)度相同；方齒寬度和間距相同，擾動(dòng)翼片固定在碘噴管出口處，其平面與氣流方向夾角為碘出口氣流馬赫數(shù)對(duì)應(yīng)的馬赫角。
8.按照權(quán)利要求1所述的平行流超音速氧碘混合噴管，其特征在于:擾動(dòng)翼片(7)固定在碘噴管出口處后，將每個(gè)方齒按順時(shí)針或逆時(shí)針同向扭轉(zhuǎn)45° ,使每個(gè)方齒都變成一個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)弧面，以提高其橫向擾動(dòng) 效果。
【文檔編號(hào)】H01S3/225GK103887692SQ201210563298
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】王增強(qiáng), 回曉康, 張?jiān)例? 徐明秀, 張朋, 于海軍, 汪健, 房本杰, 多麗萍, 桑鳳亭, 金玉奇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所