流体直接冷却薄板条介质温度及应力的解析表达

基于对流传热和热传导原理,建立了流体直接冷却均匀抽运薄板条激光工作介质的热效应分析模型,采用平面应力近似和最小功原理,得到了板条工作介质内部温度分布和应力分布的解析表达式.研究了不同流道厚度时对流热交换系数和冷却液温升与流体流速的关系,分析了流道厚度对工作介质的温度分布和应力分布的影响规律,讨论了之字形和直通光路时,热致波前畸变随产热功率的变化趋势.结果表明:层流和湍流时,较厚的流道可以实现更好的热管理效率;增益介质中的热分布关于中心平面对称,纵向最大温升出现在出水口端,最大应力畸变集中在板条两端及其侧边;流道厚度较大时,工作介质更易形成一维的温度梯度,产生的应力更小;之字形光路可以明显缓解热光效应导致的波前畸变.

水力入口段对流体直接冷却片状激光器热效应的影响

流体直接冷却Nd:YAG片状激光器系统中,流体流经增益介质时存在水力入口段,使用Ansys仿真软件,讨论了不同水力入口段距离对流体热交换系数的影响,并在此基础上,将水力入口段距离进行分类,分析了水力入口段距离对热应力以及光束传输的影响;模拟了不同冷却液的冷却效果;研究了流体处于不同流动状态时,水力入口段距离与流体热交换系数的关系,以及水力入口段距离与增益介质温度分布的关系;得到了这种高功率激光器冷却系统中,最佳水力入口段距离的范围。结果表明:流体流经增益介质时,不同的水力入口段距离只是规律性地移动了流体的热交换系数曲线,因此,避开流体热交换系数曲线中变化较大的区域,即0~2.25mm范围内的水力入口段距离,可实现介质内更小的温度梯度,同时降低热应力以及波前畸变,从而实现更好的冷却效果。