导光镜镜面温度场的模拟分析

作者:孟令武;邵帅;乔健; 刊名:红外与激光工程 上传者:韦兆祖

【摘要】为降低导光镜镜面热变形,采用有限体积法求解三维湍流传热方程,获得了镜面激光辐照区的温度场。文中主要讨论了激光功率、辐照时间、冷却液流速、镜体材料、流道与镜面距离等因素对镜面温度场的影响,并以辐照区平均温度和标准温度偏差作为主要指标进行冷却效果评价。结果表明,激光功率越大,各个方向上的温度越大;激光辐照发生的初始阶段温升增加较快,后期趋于平缓;流速越大,平均温度越低,标准温度偏差越小;镜体材料的性质对温度场也有不同影响;流道与镜面距离对铜镜的温度场影响不大。

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0引言高功率激光因其良好的准直性,被广泛应用在国防军事、加工制造、航空航天等各领域[1-5]。但在激光应用系统中,高能激光器发出的激光光束需要经过某些光电装备中的导光光路才能得到更好地利用。在整个光束传输过程中,导光镜吸收光束能量,造成镜面温度过高,产生热变形,最终影响光束传输,而这已经成为制约高功率激光应用的主要障碍[6-7]。目前,液冷技术作为主流冷却技术,一直是国内外研究热点。国内在液冷镜方面研究较多的是华中科技大学[8-10]。但这些研究有两个基本特点:一是均基于层流进行研究,并未涉及湍流;二是研究对象均为激光腔镜,属于激光发生系统,这也是当前主要研究方向。文中研究的是某光电装备中导光镜镜面温度场问题,属于激光应用系统。此外,液冷镜中冷却液的流动状态为湍流。分析整个光束传输和传热冷却过程,镜面温度场的主要影响因素有热源问题、液冷通道结构问题、周围环境问题、镜体材料问题等。在液冷镜通道结构确定之后,镜面温度场的主要影响因素是热源问题和镜体材料问题,其中热源问题包括激光功率和辐照时间两方面。文中从热膨胀和热弹性两方面对镜面热变形进行分析,发现镜面温升和温度分布是热变形的主要原因,并相应提出平均温度和标准温度偏差这两个指标来进行镜面温度场的比较评价,镜面的平均温度和标准偏差越低,镜面的热变形越小。文中主要研究了激光功率、辐照时间、冷却液流速、镜体材料、流道与镜面距离等因素对强激光作用下导光镜镜面温度场的影响,并通过分析比较,得到了一些有价值的结论。1理论分析1.1传热理论分析液冷镜的整个换热过程,其涉及的传热方式主要有镜体与周围空气之间的热传导和冷却液与流道之间的强制对流传热,而由于镜体温升较小,镜体与空气之间的辐射可以忽略不计。根据傅里叶定律推导出三维连续弹性体的非稳态温度方程[11]:ρcp鄣T鄣t=λx鄣2T鄣x2+λy鄣2T鄣y2+λz鄣2T鄣z2+ΦΦ=4Pηπab(1)式中:ρ为冷却液密度;cp为冷却液比热容;t为时间;T为物体内部温度;λx、λy、λz为各方向导热率。根据牛顿冷却公式[11]:qconv=αiAconv△T (2)式中:qconv为热量大小;αi为对流换热系数;Aconv为热对流面积;△T为流道与冷却液的温差。在文中所分析的结构中,对流换热面积为:Aconv=ni=1Σ2(wLi+h Li+wh)(3)式中:Li为第i流道的长度;w、h为流道的宽和高;n为流道总数。第i流道的对流换热系数为:αi=Nuλfde(4)de=2whw+h(5)式中:Nu为努塞尔数;λf为冷却液导热率;de为水力直径。Nu=0.023Re0.8Pr0.4Re=ρvdeμPr=μcpλf(6)式中:Re为雷诺数;Pr为普朗特数;v为冷却液速度;μ为冷却液动力粘度。1.2控制方程在文中研究中,冷却液是水,可以看作不可压缩的牛顿流体。在上述假设条件下,流体控制方程[12]如下。(1)质量守恒方程,即连续性方程:鄣Vx鄣x+鄣Vy鄣y+鄣Vz鄣z=0 (7)式中:Vx、Vy、Vz为流体速度在x、y、z方向上的分量。(2)动量守恒方程,即N-S方程:ρfluid(V荦V)=-荦p+μfluid荦2V (8)式中:ρfluid为流体密度;μfluid为流体动力粘度;荦p为压力差。(3)能量守恒方程:ρfluidcp(Vg荦V)=kfluid荦2Tfluid(9)式中:kfluid为流体导热率。(c)流道截面示意图(c) Cross section shapes of the channels图1导光镜几何模型Fig.1 Light guide len

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