二次喉道扩压器对COIL的影响实验

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1、!第"#卷!第"$期强激光与粒子束%&’("#，)&("$!!$**+年"$月,-.,/0123456235)7/538-942:25;67<=(，$**+!文章编号：!"**">?@$$（$**+）"$>"A*#>*+!二次喉道扩压器对!"#$的影响实验蔡光明，!刘!军，!王永振，!朱连贵，!李春领，!谢秀芳（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳B$"C**）!!摘!要：!氧碘化学激光器分别采用二次喉道扩压器和AD扩压器时，对在不同阀门开度下的气流方向的壁面静压曲线和背压曲线，光轴壁面静压曲线，出口总压与上游压比值曲线，输出功率曲线进行了测量。对两种扩

2、压器的数据进行了对比，结果表明：与AD扩压器相比，二次喉道扩压器能够有效隔离扩压器下游气流对光腔的干扰，显著减小捩区长度，并将转捩区控制在扩压器内。在激光器背压升高时，二次喉道扩压器的稳定性更强。!!关键词：!氧碘化学激光器；!光腔；!扩压器；!总压损失；!压力恢复!!中图分类号：!8)$?B!!!!文献标识码：!5!!在氧碘化学激光器（90-4）中，由于从喷管出来的激光器主气流马赫数在$左右，正常出光时光腔气流静压在?E"@@FBE"@@/G，为使激光器气体顺利进入大气，激光器光腔后需要接扩压器对其进行增压，增压后的［"］气体通过引射器或泵抽吸顺利排出。扩压器

3、的作用就是将光腔出来的超音速主气流转变为亚音速气流，进［$］而增加气体出口静压，减轻扩压器后泵或引射器的工作负荷。!!从流动机理看，超音速扩压段的主要功能是降低排气流速，增大排气静压。气流流经扩压段出口的流速越［@］低、能量损失越小，则出口气流静压的提高就越大。在扩压器中，超音速气流会通过一系列的激波恢复转变为亚音速。这一段激波恢复区称为伪激波区，伪激波区会随着扩压器背压的改变而前后移动。在背压较高时，激波区会向光腔方向移动，从而导致光腔中的气流发生扰动，影响激光器的正常输出。%&二次喉道设计原理!!为稳定伪激波区，可以在超扩段采用二次喉道设计。超扩段中的伪激波

4、区起着将超音速流动转变为亚音速流动，恢复流动静压的作用。伪激波区的位置和长度与超扩段的几何构形、超扩段入口的气流马赫数以及超扩段出口静压（背压）有关。在超扩段中引入超音速风洞设计中的二次喉道概念，可以将伪激波区的位置相对地固定在第二喉道内，从而减小超扩段出口静压（背压）的变化对伪激波位置的影响，使光腔内的超音速流动［"］更稳定。第二喉道临界面积公式为!!!!!""!$#$$"$"（"）!!式中：!为喉道处压力；$为喉道截面积；下标"、$分别表示一次、二次喉道。由（"）式可知，只需适当收缩扩!!!!!压段截面面积$$，使$$H!"$""!$，则第二喉道即可形成。I

5、JK("!;&L<’=MNO<&PQRQRN&GQLJPPMSQRN&GQLJPPMS*+>"?；!!修订日期：$**+>*#>"$基金项目：国家AB@计划项目资助课题作者简介：蔡光明（"C#+—），男，学士，助理研究员，主要从事气动光学一体化研究。"(,(强激光与粒子束第".卷!!在给定激光器光腔出口气流条件时，通过计算将二次喉道固定

6、在扩压器入口特定点，将激波位置限制在扩压器入口处，使激波所造成的扰动限制在扩压器中，并在较短的区域内进行压力恢复。图"为计算修正的壁面型面曲线，坐标原点为扩压器起始横截面中心；根据此型面计算所得的核心流静压曲线如图#所示（未考虑化学放热）。!"实验状态!!根据计算修正所得的曲线对该扩压器进行了设计加工，并在现有$%&激光器实验装置上进行正常出光验证。实验状态如下：激光器上游总压约’()"’’*+，氯气摩尔流量：,-$./0123，主氦摩尔流量：#-4/0123，副氦摩尔流量：,-55/0123，碘摩尔流量："’//0123；激光器光腔增益区为".,//，采用平凹

7、谐振腔，腔镜反射率为657；扩压器构型为二次喉道扩压器，唇口为半径!8$,//的"25圆弧，中间无隔板。!!在保证激光器的进气参数正常的前提下，通过改变真空阀门的开度大小来改变背压，在光腔气帘方式作用下进行正常出光实验和背压实验，验证该扩压器的隔离激波的作用和压力恢复性能。#"实验结果及分析!!在相同阀门开度下，通过对光腔、扩压器壁面静压与总压的测量，并与光腔、扩压器扩张角均为(9的标准件测试数据进行对比分析。验证二次喉道扩压器对稳定光腔气流状态与压力恢复能力以及改变背压时对出光功率的影响。#-$"隔离激波作用!!在激光器保持进气参数不变的前提下，通过改变扩压器

8、后真空阀门的开度大小来改