激光支持等离子体流场的2维动态数值模拟

采用高温气体(等离子体)电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式,给出了高温气体状态方程的简便描述,并考虑激光与等离子体的相互作用和能量耦合模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程,并同理论模型结果进行了比较。结果表明:不考虑2维膨胀效应的理论模型结果比2维数值计算结果偏大,但两者只有接近一倍的差距,并无数量级的差别。考虑了膨胀效应的2维数值计算结果是可信的。

激光腔靶中等离子体流场的数值模拟

针对激光腔靶中等离子体流场的复杂性，提出了一种网格的自适应算法以及活动网格方法。应用这些方法在不同的腔靶上进行了一些数值计算。得到的结果表明，这些数值方法是有效的。

激光等离子体对靶冲量传递的实验研究

针对激光对靶冲量传递问题,提出了悬摆法和光电测速法相结合的测量方法,并应用该技术测量了不同激光功率密度下的激光支持爆轰波对靶产生的冲量,得到了聚焦透镜焦点附近的靶获得的冲量、冲量耦合系数和作用激光功率密度呈非线性关系,且随着作用激光功率密度的增加冲量耦合系数呈饱和趋势,最后根据有关理论对实验测试结果进行了解释。

由强激光产生的烧蚀等离子体随时间演化的数值模拟

采用单流体模型描述由强激光产生的烧蚀等离子体,并用具有五阶精度的广义Godunov差分格式——加权本质无振荡格式对该模型进行离散化,考虑激光与等离子体相互作用和能量耦合,数值模拟强激光与固体靶相互作用时产生的烧蚀等离子体随时间演化的物理过程,给出数值模拟结果,并对其进行分析和讨论.数值模拟结果表明,激光能量在靶面等离子体中被强烈吸收,激光支持LSD(Laser Supported Detonation)波速度约为理想LSD波速度的一半.

圆锥脉冲等离子体诱导流场特性分析

对等离子体诱导流场特性进行研究,有利于解决双稳态非对称分离涡带来的连续比例控制困难的问题。在封闭光学玻璃箱体内,应用介质阻挡放电等离子体对20°顶角圆锥附近静止大气进行了定常和脉冲循环控制,对等离子体诱导的圆锥截面绕流速度场进行了二维PIV测量,对定常控制和脉冲循环控制下最大绕流速度及最大轴向涡量进行了比较分析。实验结果表明:相对于定常控制模式,脉冲循环控制下沿垂直于圆锥截面对称面径线分布的时间平均切向速度和轴向涡量范围较广;在脉冲循环控制下,动量传递的主要表现在离散涡的形成而不是气流的加速。

圆锥等离子体激励器在主动流动控制中的应用

在封闭光学玻璃箱体内,应用介质阻挡放电等离子体对20°顶角圆锥附近静止大气进行了定常和脉冲循环控制,对等离子体诱导的圆锥截面绕流速度场进行了二维PIV测量,对定常控制和脉冲循环控制下最大绕流速度及最大轴向涡量进行了比较分析。并对不同的电压和频率值对上述参数影响进行了研究。实验结果表明:相对于定常控制模式,脉冲循环控制下沿垂直于圆锥截面对称面径线分布的时间平均切向速度和轴向涡量范围要广;在脉冲循环控制控制下,动量传递的主要表现在离散涡的形成而不是气流的加速。

激光支持爆轰波点燃阈值的声学判断

不同功率密度的高功率激光与材料相互作用时将发生激光支持燃烧波或激光支持爆轰波的现象。为了获得激光支持爆轰波的点燃阈值,采用了波长为1064nm的激光作用在铝靶表面,产生的等离子体声波的峰值声压与作用激光功率密度间存在跃变阶段,并进行了理论分析和实验验证,取得了激光支持爆轰波的点燃阈值,与采用其它方法得到的结果基本吻合。实验结果对了解激光与物质相互作用机理和过程是有帮助的。

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O(777.19nm)谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气(>5000K)试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H0=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在(1.1~1.2)×1018cm-3之间,低能级5S02粒子数密度在(1.0~1.6)×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。

激光等离子体流场的数值模拟

本文采用二阶精度迎风ＴＶＤ格式对轴对称的激光等离子体流进行了数值计算，模拟研究了Ｎｄ：ＹＡＧ高功率脉冲激光与铝靶相互作用时等离子体场的形成过程，获得了与实验结果一致的时间相关解。

激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究

利用调Q的Nd:YAG激光器输出的纳秒激光脉冲诱导等离子体加工石英微通道,显微镜下观察微通道深度可达4 mm,通道周围没有发现热裂纹,围绕通道内壁产生了固化层.研究了纳秒脉冲下固体材料损伤的电离机理.波长为1064 nm,光强不很强的纳秒脉冲作用时,光学击穿中等离子体的形成主要是雪崩电离的结果,利用雪崩击穿的阈值理论得到了等离子体形成模型,求出了等离子体形成范围,理论模型结果与实验结果基本相符.最后基于激光支持的爆轰波模型,利用流体力学理论求出了等离子体的温度、速度、压强等特征参数,并分析了微通道的特点.高温高压的等离子体烧蚀出石英微通道,等离子通过后,在冲击波压力作用下微通道内壁熔化的石英凝固形成固化层.

三脉冲激光支持爆轰波打孔实验

激光支持爆轰波在航天推进,激光微加工等领域具有广泛的应用前景。本文通过改进调Q技术,在一次氙灯泵浦的时间内输出3个强脉冲,对铝靶材进行打孔实验.研究结果表明:三脉冲激光对铝材料烧蚀,产生空洞结构,材料在三脉冲激光产生的爆轰波作用下被充分消融并向空洞结构四周扩散,沉积。

烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体(等离子体)电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO(weighted essentially non-oscillatory schemes),给出了高温气体状态方程的简便描述,并考虑激光与等离子体的相互作用,模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程,并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数(冲量耦合系数等)。计算结果及与实验结果的对比表明,靶材料和激光参数(功率密度、波长、脉冲宽度等)是影响推进效应的主要因素,并且计算结果具有较高的精确度。

强激光致空气击穿过程的数值模拟

根据雪崩电离、逆轫致吸收、Saha方程和等离子体状态方程等实现了用迎风TVD格式对空气的击穿过程进行了数值模拟，结合光学击穿和激光感应热击穿理论，研究了Nd：YAG高功率脉冲激光与空气相互作用时，等离子体场的形成过程，得到了激光等离子体流场的非定常解。

大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟

就大气呼吸模式的推进机理作了较为系统的分析和研究,导出了考虑反射面几何约束的冲量及冲量耦合系数的近似解析表达式。在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解和后期高分辨率PPM格式相结合的新方法,计算了固定的抛物面反射镜聚焦入射平行激光击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用。结果表明,推进效应(飞行器获得的推力、总冲量、冲量耦合系数等)与反射面的几何参数和入射激光强度密切相关。83J的激光单脉冲能量算例得到的冲量耦合系数为246μN·s/J,略高于同种工况下W.O.Schall等实验得到的耦合系数。

由激光靶冲量耦合实验结果判定激光支持爆轰波点燃阈值

根据激光吸收区等离子体组分与激光功率密度的关系判定激光支持爆轰波（LSDW）的点燃阈值。在激光靶冲量耦合实验的基础上,用悬摆动力学方程计算了激光支持爆轰波对铝靶冲量和冲量耦合系数;继而由靶冲量与激光吸收区膨胀介质（等离子体和气体）比热比的Jouguet条件,以及由二维流体动力学数值模拟获得的激光靶冲量随时间的变化过程,得到了激光吸收区介质的比热比随激光功率密度的变化情况,由此可得激光吸收区介质比热比随激光功率密度的增大而减少的结论;根据等离子体和气体比热比的差异定量分析了不同激光功率密度条件下激光吸收区气体和等离子体的构成。由等离子体含量随激光功率密度的变化关系得到了激光支持爆轰波的点燃阈值在（1.62±0.01）×10^8-（2.10±0.07）×10^8W/cm^2间的结果。

单脉冲能量对光船推进性能的影响

根据实验装置的形状,建立了点聚焦光船喷管内部等离子体流场演化的物理和数学模型;通过数值计算,获得了内流场的压强分布、推力随时间的变化规律以及光船获得的总冲量和冲量耦合系数。计算结果表明:点火区域和总冲量随着激光脉冲能量的增大而增大,而冲量耦合系数却有所减小。

基于LSSVM的土壤重金属定量分析

为了提高土壤定量分析的精度,分别把偏最小二乘法(PLS)和最小二乘支持向量机(LSSVM)与激光诱导等离子体技术相结合对土壤中的Cu元素进行分析。对比分析了CuⅠ324.75 nm和CuⅠ327.40 nm两条特征谱线,最终选择CuⅠ324.75 nm作为分析谱线。首先对实验参数进行优化。通过对比激光能量、采集延时与信噪比之间的关系,确定最佳能量为90 mJ,最佳采集延时为1000 ns。然后在最佳实验条件下采集五个不同浓度样品的特征光谱,并用内标法、PLS和LSSVM建立定标模型。对比三种模型的拟合系数、均方根误差和平均相对误差,发现由于土壤基体效应和自吸收效应的影响,内标法的定标模型性能较差,拟合程度未达到实验要求,而均方根误差和平均相对误差的数值过大,无法满足实验对于精确度和稳定性的要求。用PLS对定标模型进行校准,相对于内标法而言,定标模型的精确度和稳定性均有明显的提高,R^2由0.8701提高到0.9851,训练集和预测集的均方根误差均下降到了0.1 Wt%量级,平均相对误差虽有所下降,但仍然无法达到实验要求,说明PLS虽然可以在一定程度上提高定标模型的精确度,但在提高稳定性方面仍有欠缺,并不能很好的降低土壤的基体效应与自吸收效应。与内标法和PLS的定标模型相比,LSSVM定标模型的精确度和稳定性最好,R^2提高到了0.9976,模型中的数据点基本分布在拟合曲线上,具有良好的线性相关性。相比于内标法,LSSVM定标模型训练集的均方根误差由3.4488 Wt%下降到0.0187 Wt%,预测集的均方根误差由1.2807 Wt%下降到0.1491 Wt%,体现稳定性的平均相对误差降低了6.24倍。与PLS定标模型相比,LSSVM定标模型的各个参数均有大幅降低,特别是平均相对误差由7.4556%下降到2.1370%,可以满足稳定性要求。说明在提高定标模型精确度与稳定性方面,LSSVM算法更具有优势,能够更好地降低土壤基体效应和自吸收效应带来的影响。

PSO-LSSVM对LIBS定量分析精度的提高

针对土壤定量分析受基体效应影响大,LIBS定量分析精度不佳等问题,采用粒子群算法对LSSVM进行优化,提高模型的精确度。选取PbⅠ405.78 nm和CrⅠ425.44 nm作为分析谱线进行分析。采集十二个不同浓度样品的特征光谱,每个浓度样品在不同点采集20组数据,将其中17组数据设为训练集,3组数据设为预测集,用LSSVM和PSO-LSSVM两种方法建立定标模型。对比两种模型的拟合相关系数(R2)、训练集均方根误差(RMSEC)和预测集均方根误差(RMSEP)。由于自吸收效应的影响,随着浓度的增加,预测值逐渐低于实际值,LSSVM定标模型的拟合程度较低,无法达到实验要求,模型性能有待提高。利用粒子群算法对LSSVM的模型参数惩罚系数和核函数参数进行优化,得到最佳的参数组合,Pb元素为(8 096.8,138.865 7), Cr元素为(4 908.6,393.563 5),用最佳的参数组合构建LSSVM的定标模型。相比于LSSVM, PSO-LSSVM定标模型的精确度更高,Pb和Cr元素的R2提高到了0.982 8和0.985 0,拟合效果明显提升。Pb和Cr元素的训练集均方根误差由0.026 0 Wt%和0.027 2 Wt%下降到0.022 4 Wt%和0.019 1 Wt%,预测集均方根误差由0.101 8 Wt%和0.078 8 Wt%下降到0.045 8 Wt%和0.042 0 Wt%,模型的稳定性进一步提高。说明PSO-LSSVM算法能够更好地降低土壤基体效应和自吸收效应带来的影响,提高分析结果的精确度与稳定性。

声学法判断金属铝板靶激光支持爆轰波的点燃阈值

基于声学法对1064和355nm激光脉冲作用金属铝板的激光支持爆轰波（LSDW）点燃阈值进行了研究，理论分析了激光等离子体声波压强与冲击波的膨胀速度关系，歼展了1064nm和355nm激光作用铝板靶的实验研究。实验结果表明等离子体声波存在时间为毫秒量级，其峰值强度呈指数衰减趋势。实验发现激光作用铝板产生的等离子体声波信号幅度随激光功率密度的增加而增加，但是在激光功率密度增加的过程中等离子体声波峰值强度出现两次跃变，由此判断出1064nm和355nm激光产生的LSDW的点燃阈值范围分别为（3．95～13．05）×10^8W/cm^2和（3．14～10．07）×10^8W/cm^2。分析了激光波长因素对LSDW点燃阈值的影响。

光船对气液两相介质激光支持爆轰波影响的数值模拟

建立了气液两相介质单脉冲激光支持爆轰波的数值模型,结合光船边界条件,数值模拟爆轰波及其周围流场的演化过程,分析温度、压力、速度场在爆轰波发生时的变化特性和演化形态。研究表明:有无光船边界在30μs前爆轰波发展趋势基本一致。激光作用结束后,焦点范围处温度压力均达到最大,速度继续上升达到最大后逐渐衰减。温度最大值一直在焦点附近,压力最大值则是在激光作用时出现在中心处,激光作用结束后,转移到波阵面上,而速度最大值发生在冲击波波阵面上。光船模型中,冲击波会与壁面发生耦合作用,冲击波的反射与叠加作用使最大温度中心会向外偏移,压力和速度会在壁面与冲击波边沿接触面的两侧处达到最大值,向内侧逐渐减小。