李俊杰，李 波，王又青

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院激光加工國(guó)家工程中心，武漢430074)

引 言

軸快流CO2激光器得名于其與光束同軸的快速流動(dòng)氣體冷卻技術(shù)。由于光束質(zhì)量好、功率高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，是一種主要的工業(yè)激光器［1］。軸快流激光器由于工作氣體的流速很快，正是靠著放電管內(nèi)的流場(chǎng)的湍流和擴(kuò)散來(lái)使工作氣體的軸向分布更加均勻，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻的輝光放電。

軸快流CO2激光器常用的是普通的十字型放電管和入口處有外部繞流環(huán)的放電管。普通的十字型放電管的質(zhì)量流量較大，能出較大功率，但管內(nèi)的速度和湍流強(qiáng)度不均勻，在較大的電功率激勵(lì)下能產(chǎn)生輝光放電，但在陽(yáng)極區(qū)容易出現(xiàn)拉絲。另一種常用的放電管是入口處帶有外部繞流環(huán)結(jié)構(gòu)。該放電管的質(zhì)量流量相對(duì)于十字型管要小，且速度和湍流強(qiáng)度的均勻性較好，注入較小的電功率能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電，但在較大的電功率激勵(lì)下容易出現(xiàn)弧光放電［2］。作者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的放電管進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種質(zhì)量流量大、湍流強(qiáng)度和速度均勻性好的放電管。

1 兩種放電管的結(jié)構(gòu)的比較

目前軸快流CO2激光器中常采用的是入口處有外部繞流環(huán)結(jié)構(gòu)的放電管。氣體從入口直管段進(jìn)入繞流環(huán)后分成兩股，在繞流環(huán)兩側(cè)環(huán)流并在噴嘴處匯聚，經(jīng)壓縮噴射進(jìn)入直管段。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在放電管a(見圖1)的基礎(chǔ)上對(duì)繞流環(huán)、噴嘴、直管段等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新型的大質(zhì)量流量的放電管b。放電管b的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.1 Structure geometry and left view of tube a

Fig.2 Structure geometry and left view of tube b

工作氣體的質(zhì)量流量與放電管的入口處的直徑、噴嘴的直徑以及直管段的直徑有關(guān)。圖1、圖2中r為放電管的入口處的直徑，H為放電管的入口處與中心軸線的距離，R1和R2分別為繞流環(huán)的半徑以及直管段的半徑。由左視圖可知，放電管a的入口處的直徑為20.4mm，直管段的直徑19.15mm;放電管b的入口處直徑為22.15mm，直管段直徑為20mm。在壓降相同的情況下，入口以及直管段的直徑越大，質(zhì)量流量會(huì)越大。放電管a的噴嘴的直徑大小為12.7mm，放電管b的噴嘴直徑為16mm，噴嘴的直徑越大，直管內(nèi)的氣體質(zhì)量流量也越大，但同時(shí)也會(huì)引起放電管中間的橢圓體內(nèi)的湍流強(qiáng)度下降，工作氣體速度的軸向分布均勻性變差等問(wèn)題。在設(shè)計(jì)放電管的過(guò)程中為了彌補(bǔ)由于噴嘴的直徑的變大導(dǎo)致速度分布均勻性變差，增加了放電管b的入口與中心軸線的距離H，改善了工作氣體速度的軸向分布均勻性［3］，同時(shí)增加放電管b的繞流環(huán)半徑R1，提高湍流強(qiáng)度。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，以上兩種措施使得工作氣體速度的軸向分布更均勻。

2 放電管的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的模型由能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及質(zhì)量守恒方程等一系列流體力學(xué)基本方程建立而成［4-6］。FLUENT是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的軟件，采用有限體積法將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列的控制體積，用待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分得出離散方程。FLUENT軟件適用于高速可壓流體的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度，可以精確獲得放電管內(nèi)的工作氣體的流場(chǎng)分布［7］。

FLUENT軟件在計(jì)算的過(guò)程中需要設(shè)置邊界條件，若要計(jì)算的結(jié)果精確，則需要將邊界條件設(shè)置的與真實(shí)的環(huán)境是一樣的。邊界條件的設(shè)置如表1所示［8］。

放電管a和放電管b采用的是相同的風(fēng)機(jī)，工作氣體的配比也相同，兩者的邊界條件也基本相同，由于放電管a和放電管b的入口處的直徑大小不同，放電管a的入口直徑為20.4mm，放電管b的入口直徑為22.15mm，入口的湍流動(dòng)能和湍流耗散率是與入口處的直徑大小相關(guān)的，放電管a和放電管b在入口處的湍流動(dòng)能和湍流耗散率不相同，根據(jù)湍流動(dòng)能和湍流耗散率的計(jì)算公式可知，放電管 b的湍流動(dòng)能為169m2/s2，湍流耗散率為233816m2/s3。

Table 1 Specifications of boundary conditions used in computation

通過(guò)在FLUENT軟件中導(dǎo)入網(wǎng)格模型，將邊界設(shè)置成如表1所示的邊界條件。下面將分析FLUENT軟件的計(jì)算模擬結(jié)果。

2．1 放電管內(nèi)的質(zhì)量流量

在相同邊界條件下由FLUENT軟件計(jì)算得出放電管a的質(zhì)量流量為0.00235kg/s，放電管b的質(zhì)量流量為0.00302kg/s。放電管b的質(zhì)量流量相對(duì)于放電管a有一定程度的提高。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換效率一定的激光器，若提高注入功率則管內(nèi)產(chǎn)生的熱量也會(huì)相應(yīng)的增加，而提高放電管的質(zhì)量流量，將有助于更加迅速地帶走放電產(chǎn)生的廢熱，保證放電管內(nèi)的工作氣體的溫度低于臨界值，從而提高放電管的輸出功率［9］。研究表明，質(zhì)量流量為1g/s時(shí)，單根放電管可獲得120W～150W的激光功率輸出，因此放電管a能夠獲得280W～350W的激光功率輸出，放電管b能夠獲得360W～450W的激光功率輸出。

在設(shè)計(jì)放電管的過(guò)程中不僅需要考慮如何提高管內(nèi)的質(zhì)量流量從而提高激光器輸出功率，還需要考慮速度、溫度、氣體密度等其它的影響放電穩(wěn)定性的因素。

2．2 放電管內(nèi)的速度分布

圖3和圖4分別是a管和b管沿軸向的速率分布圖，曲線A、曲線B、曲線C分別代表的是直管中心線、距離直管中心線5mm以及距離直管中心線-5mm處的速率分布。比較放電管a和放電管b的軸向速率分布曲線圖可知，在同樣的壓降條件下，在直管段放電管b的平均速率約為240m/s，而放電管a內(nèi)的平均速率約為200m/s，放電管內(nèi)的工作氣體的速率越快，則管內(nèi)的抽運(yùn)所產(chǎn)生的能量越能及時(shí)被帶走，從而保證管內(nèi)的溫度在臨界范圍之內(nèi)。同時(shí)在直管段放電管b的速率的均勻性要比放電管a更好，放電管b較放電管a更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電。

Fig.3 Velocity magnitude vs.axial length in tube a

Fig.4 Velocity magnitude vs.axial length in tube b

2．3 放電管內(nèi)的溫度分布

圖5 和圖6分別是放電管a和放電管b內(nèi)的軸向溫度分布曲線圖。比較可知，放電管b內(nèi)的平均溫度要比放電管a內(nèi)的平均溫度低。由于放電管b內(nèi)的工作氣體的流動(dòng)速率要比放電管a的工作氣體的流動(dòng)速率快，且放電管b的質(zhì)量流量更大，因此放電管b放電時(shí)產(chǎn)生的大量能量能夠迅速地被帶走，使得放電管b內(nèi)的平均溫度相對(duì)放電管a要低，激光器的工作也會(huì)更加的穩(wěn)定。

Fig.5 Static temperature vs.axial length in tube a

Fig.6 Static temperature vs.axial length in tube b

2．4 放電管內(nèi)的密度分布

圖7 和圖8分別是放電管a和放電管b沿軸線方向的密度分布曲線圖，由于工作氣體的密度主要受溫度和壓強(qiáng)的影響，在工作氣體的入口處由于溫度低、壓強(qiáng)高，氣體的密度顯然較高。在直管段內(nèi)的工作氣體的密度對(duì)放電有很大的影響，氣體分子不均勻可能會(huì)導(dǎo)致放電過(guò)程出現(xiàn)拉絲。放電管a和放電管b在軸向的密度分布都較為均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電。

Fig.7 Density vs.axial length in tube a

Fig.8 Density vs.axial length in tube b

由FLUENT軟件的模擬結(jié)果可知，在同樣的壓降條件下，放電管b內(nèi)的工作氣體速度快、質(zhì)量流量大、平均溫度低，放電管b能得到十分均勻和穩(wěn)定的輝光放電。由于注入功率和放電管的質(zhì)量流量成正比，故放電管b易輸出較大的激光功率。放電管a的工作氣體流速較低、流量較小，氣體的溫升較放電管b要大，在較大功率的情況下容易出現(xiàn)放電拉絲。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在相同的工作氣壓、相同的氣體配比條件下對(duì)放電管a和放電管b分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比兩種放電管在不同電功率的激勵(lì)下的放電表現(xiàn)。放電管a在激勵(lì)電功率不超過(guò)1490W時(shí)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的輝光放電。當(dāng)激勵(lì)電功率在1490W以上時(shí)，在直管段靠近陽(yáng)極區(qū)會(huì)出現(xiàn)不均勻的輝光放電和絲狀放電［10］。對(duì)于放電管b，當(dāng)激勵(lì)電功率達(dá)到了1650W時(shí)仍能維持均勻穩(wěn)定的輝光放電。實(shí)驗(yàn)中單根放電管的輸出結(jié)果如表2所示。

Table 2 Output power of single discharge tube

4 結(jié)論

由數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)論證可知，新設(shè)計(jì)的放電管的質(zhì)量流量增大，在較大的電功率激勵(lì)下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定均勻的輝光放電，單根放電管的輸出功率提高。對(duì)比放電管a和放電管b，在新型放電管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可適當(dāng)增加放電管的入口、噴嘴以及直管段的直徑，提高氣體的質(zhì)量流量，增加入口與中心軸線的距離以及外部繞流環(huán)的半徑來(lái)分別提高氣體的均勻性和湍流強(qiáng)度。放電管優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則是在保持工作氣體的速度、溫度、密度均勻的前提下，提高放電管的質(zhì)量流量。

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