热效应作用下高功率薄片涡旋激光器的模场结构

激光介质热效应引起的谐振腔模场结构变化成为高功率涡旋激光器的一个关键问题.本文建立了环形光泵浦薄片激光晶体的温度场及热形变计算模型,将热效应像差作为谐振腔衍射积分方程的微扰,研究热效应对激光器模场结构的影响规律.具体研究了Nd:YAG,Nd:YLF和Nd:YVO_(4)薄片涡旋激光器的模场结构随泵浦功率、晶体吸收系数、晶体厚度的变化规律.研究结果表明,热效应使涡旋激光器模谱产生径向展宽,模式纯净度下降.泵浦功率越大,高阶径向模式占比越大,模场结构越复杂.泵浦功率升高时,Nd:YVO_(4)激光器的模谱展宽最大,Nd:YAG激光器的模谱展宽最小.晶体吸收系数越大,模谱展宽越严重;激光晶体厚度减小时,模谱展宽呈增宽趋势.

长脉冲高功率负离子源实验平台量热靶研制

[目的]高能、强流、长脉冲中性束负离子源技术是磁约束聚变堆等离子体达到燃烧条件的核心技术之一。为满足长脉冲高功率负离子源实验平台200 kV/20 A参数下的束诊断需求,研制了用于截获负离子束或中性束、诊断两种束功率密度分布和束发散角以及负离子的中性化效率等性能参数的量热靶。[方法]根据现有的实验平台真空室结构和引出电极尺寸,利用matlab程序获得了该参数下,束发散角为1°时的负离子束在量热靶前端处的功率密度分布和束斑尺寸,进而设计了V字形靶板的量热靶物理结构;在此基础上采用Workbench软件对无氧铜V字形靶板结构进行满功率运行状态下的热负荷模拟计算,获得了水流量为80 m~3/h条件下的量热靶长脉冲运行时的温度分布,最高温度为610℃。[结果]根据模拟计算结果,结合实验平台工程结构和诊断需求,完成了量热靶的工程设计。[结论]量热靶采用磁流体真空密封,实现V字形靶板开合,靶板背面布置了热电偶阵列实时监测靶板温度。量热靶工程结构紧凑,安装尺寸能够兼容离子束流诊断真空室和中性束流诊断真空室,满足诊断需求,能够长脉冲安全运行。

纳米隔热材料在板坯加热炉水梁中的应用研究

针对新型纳米绝热保温材料在高温板坯加热炉的应用,开展了传统水梁包扎方式与新型纳米隔热包扎方式的对比研究。通过数值仿真分析对不同方案隔热效果及温度分布进行了预测,并搭建水冷实验系统对采用不同包扎方式的水梁散热量进行测试分析。测试结果表明随着炉温逐步升高,纤维隔热材料的导热系数快速上升,常规纤维隔热水梁散热快速增加,而纳米隔热材料的导热系数增加较小,故此纳米隔热水梁的散热增加较为缓慢,两种方案散热量的差距随着炉温升高而逐渐增大。在此基础上开展了工程应用,应用效果与数值仿真及实验研究数据吻合良好。工程应用对比结果表明,纳米隔热水梁相对传统水梁包扎方案可实现水梁区域能耗降低25%,具有较好的经济和生态效益。

风控热晕下复合贝塞尔高斯光束的模式串扰

采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程,研究了复合贝塞尔高斯(cBG)光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现:由于热晕效应造成的光强和相位畸变,cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽,并产生模式串扰。当风速较小时,大气介质吸收激光产生的热效应较强,导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束,其相对串扰能量较小,受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外,还研究了旋转cBG光束的热晕效应,该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此,相较于非旋转cBG光束,旋转cBG光束的光强分布比更均匀,模式串扰更小。并且,随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大,模式串扰减弱。综上,增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。

基于新型泳池式研究堆BNCT中子束流装置方案设计研究

本研究基于新型泳池式研究堆设计方案,开展了硼中子俘获治疗(BNCT)能谱可变中子束流装置的初步方案设计。根据新型泳池堆堆芯结构,采用屏蔽体及准直器组合方式,对BNCT的中子慢化层、热中子吸收层、伽马屏蔽层以及中子准直器进行了分析计算及优化,在不增加中子引出束流孔道数量的前提下,实现了超热中子及热中子BNCT束流的切换,通过理论计算分析确定了两种装置的中子束流特性,超热/热中子通量密度、单位快中子剂量、单位光子剂量、热中子通量占比等参数均符合IAEA-TECDOC-1223报告的BNCT推荐参考标准,可用于不同能量需求的硼中子俘获治疗,为新型多功能泳池堆的应用及推广提供了技术支持。

高能激光系统中不同材料合束镜的热效应分析

为了研究高能激光系统内光路中合束镜受强激光辐射会产生温升和热变形等问题,建立了热仿真的理论模型,采用有限元分析软件分析了不同激光功率辐照下以硅、碳化硅、石英玻璃和微晶玻璃为基底材料的合束镜的温升和热变形,以及极端环境下以石英玻璃、微晶玻璃为基底材料的合束镜的温升和热变形。结果表明,在22℃时,30 kW的单光束激光照射10 s后,4种基底材料中,碳化硅的温度为23.718℃是最低的,微晶玻璃的热形变为0.00115是最小的;30 kW总功率的6个光束激光照射时,微晶玻璃的热形变为0.000399μm,且石英玻璃的热形变比微晶玻璃高出18.8倍;在极端环境下,热形变最小的基底材料也是微晶玻璃;4种基底材料中,微晶玻璃最适合作为高能激光系统中合束镜的基底材料。此研究结果对高能激光系统设计有着一定的实际参考价值。

工字钢退火过程的有限元仿真及工艺优化

根据工字钢的几何形状和材料特性,采用ANSYS有限元软件建立了工字钢退火过程的热-结构耦合分析模型,并对3种退火工艺的温度场和应力场进行了模拟和分析。结果表明:相比去应力退火和再结晶退火,完全退火工艺的温度最高、热通量最小;去应力退火和再结晶退火可能导致材料内部应力积累,使工字钢的应力分布不均匀;完全退火后材料晶体结构发生了重排和再结晶,使工字钢的热应力和热应变显著减小,使用可靠性提高。

船舶主动式冷梁空调系统的热舒适性实验研究

为研究主动式冷梁(ACB)在船舶舱室的热舒适性,基于某船舶舱室环境,采用实验方法对不同送风参数下的船舶舱室ACB空调热舒适性进行研究,并与传统的风机盘管(FCU)空调进行对比。实验结果表明,送风温度、送风量和送风角度分别增加时,室内热舒适性均呈现先升高后下降的趋势。送风温度、送风量和送风角度为20℃、80 m3/h、120°,室内的热舒适性均达到最佳。同时相较于基准工况,送风温度能降低PMV-PPD绝对值50%和10%;送风量可以降低了60%的人员竖直空气温差(VATD),75%和77.4%的PMV-PPD绝对值,提高了9.6%的空气分布特性指标(ADPI);送风角度可以分别降低20%的人员VATD、55.5%和54.5%的PMV-PPD绝对值,提高9.8%的ADPI。此外,ACB的室内热环境参数比FCU更平稳,人员VATD降低了1.5℃,热舒适性更高。

核级17-4PH不锈钢小型部件去污与热老化评估

压水堆核电厂的稳压器喷淋阀是调节稳压器压力的重要部件,其阀杆材质为17-4PH,在此服役环境下,面临表面沾污、热老化的问题。本文研究了通过表面处理去除阀杆表面沾污层的可行性,通过电子束焊接技术对阀杆部件进行加长,讨论小尺寸部件的热老化问题。结果表明,表面处理降低放射性的效果良好,满足放射性废物管理要求;电子束焊接保证了焊接件的机械强度;力学性能实验结果表明,阀杆在此服役环境下,存在较大热老化风险。通过去污、焊接、力学性能分析,证明了该评估流程可用于被沾污的核电小型部件的热老化评估。

热轴力对双层微梁谐振器热弹性阻尼的影响分析

近年来,已有不少关于复合材料层合梁/板谐振器热弹性阻尼的研究论文发表.然而,在这些研究中热轴力(热薄膜力)对热弹性阻尼的贡献都被忽略了.众所周知,若梁/板的材料性质分布关于几何中面不对称则其物理中面将偏离几何中面.于是,热-弹耦合振动引起的变温场不但会形成热弯矩,还会产生热轴力(热薄膜力),二者将共同产生热弹性阻尼.文章基于Euler-Bernoulli梁理论和经典热传导理论,建立了双层矩形截面微梁热-弹耦合振动数学模型,精确考虑了热轴力对微结构内能耗的贡献.然后,采用解析方法求得了用变形几何量表示的热轴力和热弯矩,进而求得了系统自由振动的复频率以及用逆品质因数表示的热弹性阻尼解析解.作为数值算例,选取由均匀的银(Ag)和氮化硅(Si_(3)N_(4))分层组成的双层微梁,通过大量的数值实验定量分析了分层体积分数变化对热弹性阻尼的影响规律,考察了热轴力对热弹性阻尼的影响程度.结果表明,忽略热轴力将会低估层合梁谐振器的热弹性阻尼.在金属银的体积分数为70%(氮化硅体积分数为30%)时,忽略热轴力后对热弹性阻尼的低估最大可达16.3%.

高能激光短距离传输光束质量测量仿真与实验研究

准确测量光束质量对于高能激光系统性能的评估至关重要,相比传统的远距离传输测量后再修正的方法,短距离传输后的光束质量更接近激光系统出口处的真实情况。建立激光短距离传输模型,采用多层相位屏法,分析空气湍流等因素对激光远场光斑形态和光束质量的影响。结果表明,在20 m的较短传输路径上,风速、空气相对湿度、功率等影响热晕效应的因素对光束质量影响较小,常规条件范围内,光束质量因子β值劣化不超过15%,而空气湍流效应对高能激光光束质量的影响较明显,随着空气湍流强度C_(n)^(2)由1×10^(-18)m^(-2/3)增大到1×10^(-12)m^(-2/3),β值从1.0848增大至8.9933;湍流强度对不同口径激光光束的光束质量影响也不尽相同,口径越大,受湍流强度影响越大。文中搭建实物光路,使用700 mm口径平行光管进行验证,在C_(n)^(2)<1×10^(-14)m^(-2/3)的情况下,测得2.63,与模拟结果相符,实验中还发现,可以通过搅散空气的方法来减小湍流强度。实验结果表明:将空气湍流强度控制在1×10^(-14)m^(-2/3)以下,光束质量因子不小于3的高能激光系统光束质量测量偏差小于5%,为大口径激光系统出口光束质量测量提供一种解决方案。

液体分频介质的制备及其对光伏/热系统的影响分析

光谱分频光伏/热(PV/T)复合利用技术打破了PV电池低工作温度与其高品位热需求的冲突,实现了高效的光电效率和热效率。为了制备合适的选择性分频介质实现PV/T器件内能量合理分配,以去离子水为基液,利用贵金属Ag纳米颗粒与无机CoSO_(4)组合实现分频液体光学特性的高效调控。此外,基于能量平衡法建立了典型PV/T原型系统的电、热输出模型,分析了分频介质光学调控前后对系统热电输出特性。结果表明,水基分频液具有高效红外吸收特性,加入Ag纳米颗粒后,分频介质在可见光波段出现了明显的吸收峰,峰值为435 nm。进一步加入CoSO_(4)后,可以拓展纳米流体吸收峰宽度,且在红外也具有一定的吸收强化。对比光学调控前后分频介质对PV/T系统热电性能影响可以看出,分频介质总的吸收特性增加,PV/T系统的热效率呈现增加的趋势,但其电效率有所下降。基于液体分频PV/T系统的总[火用]效率亦随之增加,且超过28%。分频介质光学特性高效调控可实现PV/T系统的内能量的可控分配。

大口径多波段光束质量检测系统设计

光谱合成技术是实现高能激光输出的重要技术途径,如何在高功率输出的前提下,保证高光束质量的激光输出已成为当前光谱合成技术最迫切要解决的问题。本文针对155 mm×140 mm矩形口径、(1 064±3)nm、(1 030±3)nm和(635±5)nm波段光束的参数检测问题,设计了大口径多波段多参数检测系统。波前检测单元基于开普勒的望远结构,在构建变形镜与微透镜共轭关系的同时,压缩光束口径以匹配探测器尺寸。前组物镜采用卡塞格林结构,以解决大口径、多波段的色差校正难题;后组镜采用三片式复消色差折射镜组,补偿色差的同时,兼顾无热化设计,用以补偿前组物镜的残余热差和后组镜热差。经波前检测单元后进行分光探测,实现光束质量和光束均匀性检测。为了提高系统的环境适应性,采用光学被动无热化方法对系统进行了20℃±10℃的无热化设计。最后,对系统进行装调测试,采用泽尼克波前复原方法对波前探测相机采集的光斑图像进行波前复原,测得10℃~30℃下系统波前的RMS值优于0.052 4λ(λ=632.8 nm),光束均匀性优于0.893,光束质量β因子优于1.26倍衍射极限。

复合梁的热荷载影响及其应变响应研究

为研究复合粱的热荷载影响及其应变响应,在露天场地上浇筑了一根特殊结构的混凝土-钢组合梁试验梁,使用温度和应变传感器观察其长期热响应,并分析了复合梁在开场热荷载作用下的热行为。在两个月的寒冷季节测量中,梁内的最大温差为13.3℃,最大净拉和压热应变分别为40和110微应变。

连续激光二极管端泵Tm:YAG晶体棒热效应

根据激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点的分析,建立了激光二极管端面泵浦Tm∶YAG晶体棒热模型,利用热传导理论,用有限元分析法对晶体棒的温度场、热应力场和端面形变量进行了数值计算。分析了激光能量分布不同的激光光束(圆形高斯光斑、椭圆形高斯光斑、圆形平顶光斑、方形平顶光斑)、泵浦光斑半径、Tm ^(3+)掺杂浓度对激光棒内部温度场分布及端面形变量的影响,并绘制三维分布图。结果表明,在稳定状态下,若激光二极管泵浦功率为30 W、泵浦光斑半径为400μm时,掺杂浓度为3.5at.%的Tm∶YAG晶体棒泵浦面的最高温升为124.55℃,其泵浦面的最大应力为246 MPa,沿晶体z轴最大应力为209 MPa,泵浦面最大热形变量为0.888μm。该研究为实现Tm∶YAG激光器的设计提供了理论指导。

基于分割法的抛物面固面天线热变形抑制

为满足未来高分辨率微波遥感航天器对于大口径高形面精度的空间可展开天线的需求,提出了一种能有效降低偏馈固面天线在轨因热变形造成形面误差的新方法,即分割法。采用5 m口径的偏馈固面抛物面天线,分析了天线热变形对其电性能尤其是主波束效率的影响。对连续固面天线六点支撑下不同支撑位置对其热变形的影响进行了研究。在温差为200℃的均匀温度场下,分析了不同形状单胞的形面误差,随后确认采用正六边形作为分割单胞并对其形面误差与尺寸的关系进行了研究。研究了分割单胞的尺寸及排布方式对天线的形面误差及电性能的影响,并验证了分割单胞之间的缝隙对天线电性能的影响,最终确定分割方案。结果显示,分割后天线形面误差从500μm降低至5μm,主波束效率下降值从6.72%下降至1.77%。

湿热环境下多孔功能梯度圆管的非线性弯曲行为

圆管作为重要的工程结构,广泛应用于各个领域,其几何特征特殊,传统的梁理论不能满足其内外表面切应力为0的边界条件,采用合适的梁理论对其进行研究至关重要.文章采用一种修正的高阶剪切变形梁理论,研究了湿热环境下多孔功能梯度圆管的非线性弯曲行为.考虑材料物性与温度相关,基于修正的高阶剪切变形梁理论和von Kármán非线性理论,利用最小势能原理,建立了多孔功能梯度圆管的非线性弯曲控制方程,采用二次摄动法对控制方程进行求解,通过数值算例讨论了孔隙分布模型、孔隙率、梯度指数、内半径、湿度和温度对多孔功能梯度圆管非线性弯曲行为的影响.提出了针对湿热环境下多孔功能梯度圆管的非线性弯曲行为分析方法,得到了该问题的半解析解,将为优化多孔功能梯度圆管的结构和材料参数提供理论依据.结果表明:当孔隙率较大时,非均匀孔隙分布模型比均匀孔隙分布模型的多孔功能梯度圆管具有更好的抗弯曲变形能力,因此在实际轻量化设计过程中,孔隙分布应优先采用非均匀分布模型.

多元稀土掺杂YSZ热障涂层的热物理和热循环性能研究

4.5wt.%Gd_(2)O_(3)-5.5wt.%Yb_(2)O_(3)-10.5wt.%Y_(2)O_(3)-79.5wt.%ZrO_(2)(GdYbYSZ)稀土复合氧化物陶瓷是一类适用于更高温度下潜在应用的新型热障涂层(TBCs)材料。采用高温固相合成法制备了GdYbYSZ陶瓷粉体和陶瓷块材,在1 100℃和1 300℃煅烧不同时间后GdYbYSZ陶瓷粉末无相变,具有非常优异的高温相稳定性。在1 200℃时,GdYbYSZ陶瓷块材的平均热扩散系数和平均热导率分别比同等温度下YSZ陶瓷块材降低了2.1%和5.1%。采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺在单晶合金(Ni,Pt)Al粘结层表面制备了GdYbYSZ新型热障涂层。沉积态GdYbYSZ陶瓷涂层的主相结构为立方相,有少量游离态Y_(2)O_(3)和ZrO_(2)共存,其Y和Zr元素的相对含量均比靶材中的高,而Gd和Yb元素含量相当。经1 100℃长期冷热交替循环后,GdYbYSZ陶瓷层表面出现大量规则分布的“泥巴状”微观裂纹,陶瓷层内滋长的横向裂纹已经扩展到陶瓷层与TGO层的界面处,并引起该界面退化分离。陶瓷涂层的剥落位置主要出现在TGO层上下两个临域的界面处。TGO层严重的褶皱、波动起伏、扭曲交联、凸面尖端应力积聚和快速松弛是引起GdYbYSZ/(Ni,Pt)Al热障涂层体系层间界面分离和剥落失效的关键性因素。

变风量冷梁的性能研究

分析冷梁在国内中央空调系统中的应用现状,提出了一种新型变风量冷梁的设备方案。该设备通过调节冷梁的诱导比,提升了产品在不同气候环境下的适用性。根据气流组织试验结果分析,新型冷梁在风量变化时,送风气流均能贴附吊顶送风,局部热环境不满意度DR低于20%,室内环境达到热舒适的规范要求。

Yb_(2)O_(3)改性Gd_(2)Zr_(2)O_(7)热障涂层的显微组织和热循环性能研究

(Yb_(0.1)Gd_(0.9))2Zr_(2)O_(7)(YbGdZrO)稀土复合氧化物是适用于更高温度的新型热障涂层(TBCs)候选材料之一。采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺在单晶合金(Ni,Pt)Al粘结层表面分别制备了单陶瓷层YbGdZrO和双陶瓷层YbGdZrO/YSZ两种热障涂层,并对涂层的相结构、化学组成、显微形貌和热循环行为进行了表征分析。结果表明:沉积态YbGdZrO陶瓷涂层的主相结构为单一的缺陷型萤石相,并有少量Yb_(2)O_(3)共存;与单陶瓷层涂层相比,双陶瓷层涂层的柱状晶簇较为纤细,且可观察到明显的柱状晶间隙;双陶瓷层涂层1100℃热循环寿命约为单陶瓷层涂层的1.5倍;经长期冷热交替循环后,单陶瓷层涂层内横向裂纹滋长,并扩展到YbGdZrO/TGO层界面上方几微米处,导致界面退化分离,且陶瓷层中的Yb元素内扩散进入TGO层;双陶瓷层涂层内出现纵向裂纹,而YbGdZrO/YSZ和YSZ/TGO层间界面基本完好;热循环失效后,单陶瓷层和双陶瓷层试样TGO层内均出现横向和纵向裂纹,甚至进一步诱发了层内断裂分离现象。