气体-表面相互作用中动量和能量分量间转化机制的分子动力学研究

气体分子与壁面之间的相互作用是影响稀薄气体流动状态的主要因素,但是由于其物理上的复杂性和微观性,这一过程的机理并没有得到充分揭示.本文利用分子束法对Ar分子在金属Pt表面的碰撞过程进行了分子动力学模拟,并探究了入射速度、角度和壁面粗糙度对动量、能量转化机制的影响.结果表明,当气体分子以5o的极角入射时,分子的法向速度分量占主导因素,在与壁面发生碰撞之后,分子的切向和法向动量都会损失,法向动能会向切向转移,并且当分子速度不低于2.0时,切向和法向动能的比值会稳定在一个很小的区间,而粗糙度对动量和能量转化的影响不明显.与小角度入射时不同,当气体分子以75o的极角与金属表面碰撞时,粗糙度的影响就不能再被忽略了.大极角入射的气体分子在光滑壁面散射之后,其运动规律基本符合Maxwell所假设的镜面反射,动量和能量分量的变化都不明显.而粗糙度的引入则会促进气体分子切向动量和能量向法向转移,并且会使分子总能量的损失更加显著.

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能,基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中,每种技术都有其局限性和适用范围,需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点,选择合适的激光诊断技术。在温度测量中,相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术主要用于单点温度测量,单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%;高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光(PLIF)测温方法,但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中,粒子成像测速(PIV)技术适用于低速流场速度的精细测量,羟基分子标记测速(HTV)技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量,HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中,主要采用自发拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering,SRS)和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。

强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究

采用喷砂、磨砂、镀金表面处理工艺得到了铝靶的激光能量耦合系数。从经典傅里叶热传导方程出发,建立了强激光辐照铝靶下铝靶温度场分布数值模拟理论模型。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升。开展了铝靶强激光辐照验证实验,利用热电偶实际测量得到了辐照激光光斑中心对应的铝靶背表面最大温升,该实验结果与计算结果吻合较好。对铝靶前表面的烧蚀形貌进行了分析,与理论计算的温度场分布情况相符合,验证了数值模拟的有效性。

1150nm掺镱光纤激光器输出特性实验研究

以光纤光栅对为激光腔、双包层掺镱光纤为增益介质、976nm半导体激光器为泵浦源,研制全光纤化的1 150nm波段长波光纤激光振荡器.在室温下实现了最大平均输出功率为12.7 W的1 150nm波段单模光纤激光输出,激光振荡器的光光转换效率为42.33%.最大功率输出时,激光中心波长为1 150.48nm,光谱的3dB线宽为0.45nm,边模抑制比达38dB.该研究对研制1 150nm波段高功率光纤激光振荡器具有一定的参考价值.

非链式HF激光器能量稳定性影响因素实验研究

为提高非链式电激励脉冲HF激光的能量稳定性,分析了激光产生反应动力学和影响激光能量稳定性的主要因素,得知基态HF分子的生成、工作气体的温度上升以及工作气体C2H6的消耗是激光能量快速下降的主要原因。经实验研究,没有采用任何反应产物去除方法的情况下,激光器输出1600个脉冲激光后,激光能量下降率达31%,采用沸石分子筛吸附单元对基态HF分子进行吸附后,同样输出1600个脉冲激光,激光能量基本趋于平稳状态,且输出约5500个脉冲激光后,激光能量较初始平均值仅有10%的下降;另外,在激光器运行过程中,恢复工作气体的初始温度和补充少量的C2H6也能改善激光能量的稳定性,其中补充25%的C2H6气体可使激光能量提高近8%。由激光产生反应动力学和实验研究结果可知,增加分子筛吸附单元、工作气体温控单元和工作气体实时补给单元可提高激光能量的稳定性。

喷气发动机湍流燃烧场激光定量诊断技术研究进展

燃烧流场参数的定量测量是发动机研发不可或缺的重要组成部分,以煤油为燃料的喷气发动机内流场是高温、高压的强湍流复杂燃烧场。本文针对喷气发动机燃烧流场温度、速度、组分浓度等主要参数定量测量的需求,重点介绍本实验室研发的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温、OH示踪测速(HTV)、自发拉曼散射(SRS)测量组分浓度的实验系统及其在发动机燃烧流场诊断中的应用。具体分析定量测量的难点,提出解决方法和攻克的关键技术,给出地面试验现场测量结果和测量不确定度。

电激励重频HF激光器非稳腔设计及实验研究

为实现电激励重频HF激光远距离传输,在较短的谐振腔内产生大模体积的高质量激光束,开展了激光器正支虚共焦非稳腔的结构设计、仿真计算和实验研究。仿真结果表明,随着放大率M的增大,远场光斑中心亮斑包含的能量逐渐增大,能量向中心转移,远场光斑尺寸和远场发散角也随放大率M增大而减小。实验结果表明:随着放大率M的增大,远场光强分布、光斑尺寸和发散角变化规律与仿真结果一致,但输出激光能量以先增大后降低的规律变化。综合考虑高光束质量和高能量的指标要求,在流场正常工作情况下,当放大率M为3.0时,获得了远场发散角为2.37倍衍射极限和激光能量稍低于稳定腔(约为稳定腔激光能量的94.6%)的重频激光输出,满足激光远距离传输需求。

基于激光吸收光谱技术在线测量燃烧场温度研究

燃烧场温度的测量对研究燃烧机理、提高燃烧效率、降低污染物排放等至关重要。利用水在1397.75 nm和1397.87 nm处两条邻近的吸收线,采用波长扫描直接吸收法实现了单台二极管激光器对标定燃烧炉甲烷/空气预混火焰温度的测量。并利用基于Labview语言的数据采集卡对信号进行采集和实时处理,从而能够实时在线地获得测量结果,在温度1750 K时标准测量不确定度为2.3%。分析了火焰边界层对测量结果的影响,结果表明燃烧场非均匀性对路径积分测量结果影响较大,且其测量结果不是路径积分算术平均值。

复合材料激光辐照实验中的吸收特性研究

在复合材料激光烧蚀研究中,首要解决的问题是激光的吸收问题。利用积分球法测量了材料蒙皮层及材料整体结构对1.319μm红外激光的反射率和透过率,获得了蒙皮层材料激光吸收特性随厚度的变化规律,以及材料表面状态变化导致的反射与透射特性的变化。在此基础上研究了蜂窝夹层材料激光烧蚀前后的反射、透射性能变化,结果表明,材料表面碳化后对近红外激光的反射率由30%降为10%左右,透过率由40%降为0,平均吸收率由30%增加到90%,蜂窝夹层材料对激光的吸收大大增加。

不同腔结构掺铥光纤激光器输出性能的实验研究

研究了LD泵浦的不同谐振腔结构的掺铥光纤激光器的输出特性.采用双色镜和光纤输出端面形成谐振腔,激光器最高斜效率达到了56.9％,对应的量子效率为142％.采用光纤布拉格光栅构成谐振腔,也获得了超过Stokes极限的斜效率,且激光光谱处于光纤布拉格光栅的反射带内.不同腔结构之间对比表明,对于2 μm光纤激光器,采用光纤布拉格光栅构成谐振腔,可以在保持高效率激光运转的前提下,获得较好的光谱特性.

激光作用下石墨反射特性研究

构建了表面反射特性的测定装置,开展了激光作用下石墨材料反射特性研究,测量得到了石墨材料表面反射特性随温度变化的曲线,探讨了反射特性随温度发生变化的机理。研究结果表明,在1.064μm连续激光辐照作用下,石墨材料温度达到400℃以上时,其反射率呈明显的下降趋势,并最终保持在一个相对稳定的水平;石墨表面反射特性也由激光加载前的混合反射转变为加载后的漫反射。石墨表面反射特性的变化,与激光加载作用下石墨材料中有机物质分解以及其内部空隙中残留有一定量的微小灰分被烧蚀有关。

PLIF实验中激励激光光束匀滑整形研究

分析了激励激光光强分布对PLIF实验中荧光强度的影响.基于柱面微透镜阵列开展片状激光光束匀滑整形光学结构设计,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了相关参数.对染料激光进行匀滑整形实验研究,获得了不均匀性为3.4％的均匀片状光束.在此基础上建立了PLIF实验系统,诊断了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰,获得了相应的二维荧光分布图像.

激光辐照下预加载CFRC层合板断裂行为实验研究

针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料(CFRC)层合板失效时间的预测需求,实验研究了不同激光功率密度(70~210 W/cm^(2))、不同预应力水平(拉伸强度的50%和70%)、不同光斑尺寸(拉伸试件宽度的70%和100%)下2 mm厚层合板的失效机理,获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明:预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂,背光面剩余结构偏脆性断裂;在预应力一定条件下,试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律;预应力水平对断裂时间影响显著。

激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用

介绍了用于燃烧流场诊断的激光光谱技术的研究进展,叙述了相干反斯托克斯喇曼散射、自发振动喇曼散射、激光诱导荧光、分子滤波瑞利散射、可调谐二极管激光吸收光谱等技术的基本原理及其实验系统。给出并分析了激光光谱技术对预混火焰稳态燃烧场和固体燃剂瞬态燃烧场的温度、主要组分及浓度、流场密度和火焰构造测量的实验结果。实验结果表明,基于激光光谱的燃烧诊断技术不仅能够实现对稳态燃烧场的高精度测量,而且能够应用于复杂的瞬态燃烧场诊断。

强激光远场光斑强度分布测量技术

准确测量激光远场光斑强度时空分布是分析强激光大气传输效应和评价激光系统性能的有效手段。概述了测量激光光斑强度分布的几种方法及其适用性,重点叙述了基于阵列探测法的强激光远场光斑强度分布测量技术,总结分析了量热阵列法、光电阵列法和量热/光电复合法等三类阵列探测系统应用特点。最后介绍了两种分别用于测量连续波高能激光和重频脉冲激光的光电阵列靶斑仪,系统具有结构紧凑的特点,能够满足运动靶目标上强激光参数测量要求。

170ps激光脉冲辐照可见光面阵Si-CCD的实验

开展了532 nm ps激光辐照面阵Si-CCD的实验研究,建立了532 nm,170 ps激光辐照Si-CCD效应实验测量系统,观察到了各种典型的干扰和损伤效应现象并测量了阈值。对破坏后的CCD器件的微观结构进行了显微观察,并深入分析了各种典型实验现象和电路层面的损伤机理。开展了10 ns和150 fs激光对CCD探测器的辐照效应实验,并对不同脉宽激光与CCD相互作用阈值的关系进行了比较分析。实验结果表明：激光能量密度为10^-8-10^-3J/cm^2时,会干扰CCD成像;激光能量密度超过10^-1J/cm^2时,则会出现CCD永久性损伤。

高功率XeCl准分子激光系统前端平滑实验

为得到物面光强分布均匀、能量尽量大的部分相干XeCl准分子激光前端种子光,采用放大自发辐射（ASE）法和散射法开展了前端平滑实验研究。首先,基于一台窄脉冲XeCl准分子激光器,研究了种子光的物面光斑均匀性、能量和发散角随光束口径及物面位置的变化规律。然后,分析了影响种子光参数的因素。最后,进行了验证实验。实验结果显示：ASE法种子光物面光斑不均匀性最小为2.01%,能量为微焦量级,但发散角在水平和竖直方向有较大差别;散射法种子光物面光斑不均匀性最小为1.54%,能量为百纳焦量级,发散角为5.5 mrad,衍射极限倍数处于1437可调。前端泵浦腔尺寸和入射激光能量、散射板上光斑大小、收集透镜焦距分别是影响两种种子光参数的重要因素。经初级放大器放大后,光束物面光斑不均匀性为2.04%,能量达到8.0 mJ,满足高功率XeCl准分子激光角多路系统建设需求。

基于可调谐二极管激光吸收光谱波长调制技术在线测量燃烧场温度

介绍了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)波长调制技术的测温原理。通过选择水在1 397.75nm和1 397.87nm处两条邻近的吸收线,运用多功能数据采集卡对二极管激光器进行控制和信号采集,实现了TDLAS波长调制技术对标定燃烧炉甲烷/空气预混火焰温度的实时在线测量,测量重复频率为250Hz。分析了温度测量数据抖动的原因,结果表明燃烧过程中火焰本身温度的抖动是测量结果波动的主要原因,测量系统的A类标准不确定度小于53K。

基于神光Ⅲ原型装置开展的激光直接驱动准等熵压缩研究进展

整形激光驱动准等熵压缩是高效的物质动态压缩方式,是开展材料高压压缩特性研究的重要手段.本文系统介绍了近年来基于神光III原型激光装置开展的整形激光直接驱动准等熵压缩研究工作:创立了凝聚态物质的准等熵压缩理论模型,改进了实验设计方法和数据处理方法,掌握了制靶工艺,开展了激光加载实验并在多种靶型中实现了数百GPa的准等熵压缩.实验获取的参数范围超过传统加载方式,数据质量达到国际先进水平.

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光(PLIF)实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性<4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。