Газодинамический контур. 
Компьютерное моделирование технологического CO2 лазера для дальнейшего улучшения его основных параметров и характеристик

Реальные потери давления. Для проверки основных положений расчетной модели необходимы экспериментальные данные по аэродинамическим характеристикам контура лазера и его составным частям. Однако публикации, представляющие результаты испытаний газодинамических контуров лазеров, отсутствуют. Проведение таких испытаний представляет известные трудности. В частности, для определения аэродинамических характеристик вентилятора в газодинамический контур необходимо встраивать аэродинамические весы. Из результатов термодинамического расчета вытекает относительно простой способ определения аэродинамических характеристик газодинамического контура.

Из (2.10) следует зависимость температуры торможения изоэнтропическим вентилятором от потерь полного давления на участках газового тракта, содержащего участок с вентилятором и не содержащего каналы с подводом (отводом) тепла:

.(2.43).

Правая часть представляет собой сумму потерь полного давления на участках включая участок с вентилятором. Сделанное допущение о постоянстве плотности правомерно, если участок не содержит каналов с подводом или отводом тепла. Каждому значению соответствует повышение температуры торможения, создаваемое вентилятором.

Из (2.10) и (2.39) следует выражение для гидравлического КПД тракта с вентилятором:

(2.44).

где — повышение температуры реальным вентилятором, определяемое экспериментально.

Вычисление по формуле (2.11) осуществляется в параметрах торможения в предположении однородности потока по площади поперечного сечения на входе и выходе. Повышение полного давления на участке вычисляется по формуле:

где и, ()2 и ()2 — величины статических давлений и усредненных по площадям поперечных сечений потока газа на выходе и входе соответственно.

В публикациях, посвященных испытанию аэродинамических трактов различных аппаратов, в том числе лазеров, о таком методе почти ничего не сообщается, за исключением, где он применен для испытания вентилятора. Величины п, полученные с помощью аэродинамических весов и вычисленные по отношению разности температур (2.41), совпали с погрешностью 10%.

Газодинамический контур лазера можно разбить на функциональные участки. Участки не должны содержать каналов, к которым подводится тепло, т. е. суммарный подвод тепла к каждому участку должен быть равным нулю. Если найти гидравлический КПД функциональных участков и коэффициент потерь (сопротивления) одного из участков, то это позволит вычислить коэффициенты потерь других участков и по данным о характеристиках потока перед газоразрядным каналом вычислить развиваемое вентилятором давление. Действительно, разделим контур на три составных части — нагрузку (участок от входа в газоразрядный канал до выхода за теплообменник), сеть и вентилятор, которые имеют коэффициенты потерь ro1, ro2 и гоз. Тогда гидравлический КПД контура, определяемый нагрузкой, можно выразить соотношением:

.(2.46).

А гидравлический КПД вентилятора:

.(2.47).

Левые части уравнений и величина коэффициента сопротивления нагрузки известны. Этого достаточно, чтобы вычислить значения величин и .

Давление, развиваемое вентилятором, определяется через коэффициент сопротивления контура и характеристики потока на входе в газоразрядный канал:

.(2.48).

Величину определяют по формуле:

(2.49).

где — коэффициент давления;

u — окружная скорость колеса вентилятора.

Из (2.45) и (2.6) вычисляется коэффициент давления вентилятора:

.(2.50).

Полученные экспериментально аэродинамические характеристики лазера равны:; ;; = +? 3,1; 1; 0.57; расчетные характеристики:; и. Расчетные значения и з приведены с учетом влияния числа Re на их значения. Расчетные значения характеристик элементов контура не совпадают со значениями, полученными экспериментально. Причина несовпадения связана с тем, что течения в каналах с переменным сечением являются отрывными, что установлено экспериментально. Величины потерь давления, полученные на основе экспериментальных данных о характеристиках потока в поперечных сечениях каналов, совпали с полученными указанным методом.

Расчет аэродинамических характеристик газодинамических контуров лазеров на базе диаметрального и центробежного вентиляторов для случая безотрывных течений дал удовлетворительное согласие с экспериментом.

Рассмотрим влияние некоторых типов источников на общий запас колебательной энергии и на вид функции распределения по уровням в системе одинаковых молекул, т. е. в случаях, когда существенны V — F-процессы. Выясним сначала роль источников на примере диссоциации (отрицательный источник) и рекомбинации (положительный источник) двухатомных молекул, моделируемых обрезанным гармоническим осциллятором.

В работе на основе решения газокинетических уравнений, описывающих населенности колебательных уровней, проанализирован процесс термической диссоциации (характерное время т в) двухатомных молекул при высоких температурах, т. е. в условиях rVY <�С тв. Показано, что в нулевом приближении можно говорить о больцмановском распределении с температурой Гкол, причем из-за заметной утечки колебательной энергии из системы вследствие диссоциации Ткоп.

(2.51).

(2.52).

гдеа — отношение общего числа молекул к их числу в недиссоциированном газе;

К+ - константа скорости рекомбинации;

N и Na — плотности соответственно молекул и атомов.

Запись (2.53) предполагает существование больцмановского распределения по уровням и не учитывает искажения этого распределения. Зависимость отношения К~ (Ткол)/К~(Т) от Ткол и Т имеет вид:

.(2.53).

Путем использования выражения для tvt и К~ (Т) в работе получена зависимость / и от D/T, позволяющая оценить отличие и от равновесных значений при диссоциации различных молекул. Данные расчета приведены на рисунке 2.4. Видно, что заметное отклонение от равновесных значений наступает приD/20.

Рисунок 2.4 — зависимость отношений и / от параметра D/T при диссоциации однокомпонентного двухатомного газа.

С помощью системы уравнений, приведенных выше, можно также проанализировать влияние рекомбинации на скорость колебательной релаксации при истечении нагретого газа из сопла. В случае, когда момент времени ЈхиМ начала химической закалки (т. е. прекращения рекомбинации из-за уменьшения плотности частиц при расширении) наступает позже момента i3 замораживания колебательной температуры () процесс рекомбинации приводит к увеличению эффективного времени колебательной релаксации примерно в раз. Эта величина может быть порядка 102 и более. Разумеется, при быстрой химической закалке, когда (), подкачки энергии в колебательные степени свободы за счет рекомбинации не будет и колебательная релаксация не замедлится. Эффект замедления колебательной релаксации при реализации условия может быть использован в газодинамических лазерах.