强激光作用下导光镜面温度场的影响因素分析

作者:孟令武;邵帅; 刊名:中国激光 上传者:胡景清

【摘要】为降低导光镜面激光辐照区的温度梯度,利用有限体积法求解三维湍流传热方程,得到激光辐照区温度场分布,研究了矩形流道尺寸参数、冷却液的浓度与流速等因素对导光镜面平均温升和温升差的影响,并设计了双流道结构。结果表明,对于单流道,镜面辐照区温度场不随其几何中心呈对称分布,最高温度点位于流道下游;增大流道截面尺寸和冷却液流速可以提高换热效果;流道不同面之间的温度分布并不相同;乙二醇冷却液浓度越高,换热效果越差;相比于单流道结构,双流道结构的平均温升降低幅度最大可达17.79%,温升差降低幅度最大可达67.97%。

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2中国科学院大学,北京1000491001004-1高能激光器作为激光研究的前沿,广泛应用于国防军事、工业制造、航空航天等领域[1-5]。但高能激光光束需经过导光光路才能到达预定目标。光束传输过程中光束能量过高,易使导光镜面因温度不均产生热畸变,影响最终的光束质量,严重制约高能激光器的应用[6-8]。主动冷却技术由于换热效率高而成为导光镜冷却的主要方式,近年来一直是国内外的研究热点[9-10]。目前常用的温控技术主要包括风冷、液冷、热管等。风冷技术分为自然冷却和强迫冷却,自然冷却的散热能力十分有限,一般不超过0.08W/cm2;而强迫风冷会产生较大的噪音和振动,不适用于导光镜。热管技术通过管壳内物质的蒸发冷凝过程来实现热量传递,导热性能好,广泛应用于工业中,但是微型热管技术并不成熟。而液冷技术具有噪音小、效率高等优点,且微通道液冷技术相对成熟。因此,本文优选液冷技术进行主动冷却。国内在强激光液冷镜方面研究较为深入的机构有华中科技大学[11-16]和国防科学技术大学[17]。但这些研究都是基于较为复杂的层流状态的热变形效应。由于热变形是镜面温度分布不均导致的,所以可以基于温度差进行比较,镜面的平均温升和温升差越低,镜面的热变形越小。同时,相对于层流,湍流对镜面的温度控制效果更好。本文主要分析了流道尺寸参数、冷却液的浓度与流速对导光铜镜镜面温度场的影响;并设计了流道结构,其温控效果相对于传统单流道结构有较大提高。2理论分析根据牛顿冷却公式[18]qconv=iAconvT(1)分析整个传热冷却过程,式中qconv为热量大小,i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。该冷却过程涉及的主要传热方式为流道与冷却液之间的强制对流传热。在本文所分析的结构中,对流换热面积为Aconv=ni=12(wLi+hLi+wh),(2)式中Li为第i流道的长度,w和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i=Nufde,(3)de=2whw+h,(4)式中Nu为努塞尔数,f为冷却液热导率,de为水力直径。Nu=0.023Re0.8Pr0.4,Re=vde,Pr=cpf,(5)式中Re为雷诺数,Pr为普朗特数,为冷却液密度,v为冷却液速度,为冷却液动力黏度,cp为比热容。由(4)式、(5)式可以看出,影响换热系数的因素主要包括流道的宽和高、冷却液的流速、冷却液的类型(即物性参数的影响)。3导光镜模型3.1几何模型导光镜几何模型如图1所示,具体参数如表1所示,流道宽、高、间隔分别用w,h,e表示。各流道模型具体参数如表2所示,其中de和n分别代表流道的水力直径和流道数目。铜及乙二醇溶液的物性参数如表3所示。表1导光镜几何参数Table1GeometricalparametersofthelightguidemirrorParametera/mmb/mmL1/mmL2/mmL3/mmL4/mmH/mmh1/mmValue9575200801601002031001004-2图1导光镜几何模型。(a)导光镜整体结构图;(b)导光镜整体尺寸图;(c)流道截面示意图Fig.1Geometrymodeloflightguidemirror.(a)Structureofthelightguidemirror;(b)sizeofthelightguidemirror;(c)crosssectionofthechannels表2流道截面几何参数Table2Geometricalparametersofcrosssectionsofthechannels

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