CN103887692B - 一种平行流超音速氧碘混合喷管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平行流超音速氧碘混合喷管，用于超音速注碘的氧碘化学激光器出光运行或平行流超音速混合流场的研究。该喷管的主要特征为：氧、碘两股气流均为超音速且平行流混合；在碘喷管出口安装有两排特殊的扰动翼片，以增强混合效果；通过喷管模块上法兰下沉设计，保证了沿流向喷管出口以后流场可视，以方便混合流场的测试研究。为了实现该喷管的上述功能特点，设计了专门的加工工艺流程。相对于目前氧碘化学激光器上常用的亚音速横向流注碘混合喷管，该喷管的注碘方式和结构设计新颖，为超音速注碘的氧碘化学激光器设计研究和平行流超音速混合流场的研究提供了方便。

Description

一种平行流超音速氧碘混合喷管

技术领域

本发明涉及一种平行流超音速氧碘混合喷管，用于超音速注碘的氧碘化学激光器出光运行或平行流超音速混合流场的研究。

背景技术

目前常见的超音速氧碘化学激光器（COIL）一般采用碘及其载气的进气方式是在喷管喉道上游的亚音速段注入。亚音速段注碘可以获得较好的注入碘和主氧气流的混合，并且在用氦气高度稀释的O2(a1Δ)气流中实现I2的解离。这些增益介质随后在一个超音速喷管中膨胀，以降低气流温度，从而降低了实现粒子数翻转和正增益所要求的O2(a1Δ)的阈值产率。这一方法已经在许多高效的COIL装置上成功地得到了应用。但是在亚音速注碘，相对于单重态氧发生器（SOG）气流，碘及其载气的流量是不可忽略的，因此碘及其载气的注入会造成主气流压力升高及速度下降，同时由于喷管的亚音速段压力较高而且离光腔的距离相对较远，因此亚音速段氧碘混合方案的激发态粒子猝灭损失较大，这就会影响氧碘化学激光器的运行效率。

通过碘及其载气在超音速段注入，可以避免由注入气流产生的主气流的压力升高和速度下降，以减少O2(a1Δ)的猝灭过程，为下游激光提取提供更多的O2(a1Δ)。超音速段注碘的另一个优势是该方案更适合于非氦气做载气的COIL，如氮载气COIL或二氧化碳载气COIL。这些气体做载气的主要优势是成本较低，但是由于这些气体的分子量都大于氦气，因此其在管道内的流速也相应较慢，在这种情况下，如果仍然采用亚音速段注碘，会造成更大的O2(a1Δ)损失，因此在这种情况下，超音速段注碘是一个必然的选择。此外超音速混合还有可能在腔内获得更均匀的功率分布，从而减小腔镜变形对激光器性能表现带来的影响。

国外对超音速氧碘混合的研究大概始于上世纪90年代末。1999年美国空军武器实验室的Madden,T.J.和G.D.Hager等人报道了他们对超音速氧碘化学激光器（氦气为主稀释气）上几种不同注碘方案的模拟计算比较，包括亚音速段注入碘分子、超音速段注入碘分子和超音速段注入碘原子等。他们通过CFD模型计算，比较了上述三种方案的激光器的性能，对两个超音速段注碘方案得到了比较积极的结果。随后以色列人设计了一种超音速段横向流注碘的氧碘混合喷管，并在COIL上进行了一系列的实验探索，取得了很好的研究成果。日本人在这方面也做了很多探索工作，他们创新性地设计了一种“X”形的超音速喷管，大大提高了超音速混合的效率，其化学效率达到了33%左右。

基于前人的一些研究成果和研究经验，本专利创新性的设计了一种超音速平行流混合的氧碘混合喷管，配合特殊设计的扰动翼片的增强混合，该喷管在COIL运行和流场测试研究方面得到了成功的应用。

发明内容

一种平行流超音速氧碘混合喷管，用于超音速注碘的氧碘化学激光器出光运行或平行流超音速混合流场的研究。其主要组成部分为（图1）：喷管主体、上法兰、下法兰、氧气喷管、碘喷管、加热孔、扰动翼片。

喷管主体的外形为长方体，于其内部沿长度方向设有条状空腔，由喷管主体内部空腔构成氧气喷管，喷管主体高度方向的下端设有氧气喷管入口、高度方向的上端设有氧气喷管出口，碘喷管沿喷管主体的长度方向置于喷管主体内部空腔中，碘喷管将喷管主体的内部空腔沿喷管主体的宽度方向分隔成二个平行的互不连通的氧气喷管通道；

碘喷管为密闭的中空条状体。

碘喷管为收缩-扩张喷管，喷管的碘出口位于靠近氧气喷管出口一侧的碘喷管壁面上；

靠近氧气喷管出口一侧的碘喷管内腔为扩张段、靠近氧气喷管入口一侧的碘喷管内腔为收缩段；

沿喷管主体的长度方向、于碘喷管的两端壁面上设有与碘喷管内部收缩段所处空腔相连的碘入口；

沿喷管主体的长度方向，于碘出口处的碘喷管壁面上设有扰动翼片；

扰动翼片为上端带有方齿结构的条状体，条状体上的方齿向碘出口倾斜；

沿喷管主体的长度方向、于碘喷管内部收缩段所处空腔的壁面上设有加热孔，加热孔内设置有电加热管，以防止碘蒸气在喷管壁面凝结。

于氧气喷管入口和氧气喷管出口的喷管主体上分别设有上法兰和下法兰，上法兰采用下沉设计，即上法兰与主体连接面位于喷管出口平面下方；这样在与上方测试段连接时，可以使得测试段的窗口最低可视面与喷管出口平齐，以方便流场测试研究；

下法兰与单重态氧发生器连接。

喷管主体的外形为一长方体，建立坐标系，以喷管主体的宽度方向为x轴，高度方向为y轴，长度方向为z轴，其中圆点o位于喷管主体下方氧气喷管入口面的几何中心（图2）；

基于上述坐标系，喷管主体关于yoz平面轴对称；其中氧气喷管有两个关于yoz平面对称通道；碘喷管有一个通道，位于氧喷管两个通道中间，且关于yoz平面对称；氧气喷管出口与碘喷管出口平齐，且出口气流平行。

氧气喷管右侧通道壁面型线从氧气喷管出口到入口为：超音速段由两段半径均为56.16mm的圆弧（第一、第二圆弧S1、S2）形成，其圆心坐标分别为（-45.2,75.6）和（59.4,75.6）；喉道由两段半径均为4mm的圆弧（第三、第四圆弧S3、S4）形成，其圆心坐标分别为（1.1,60.6）和（13.1,60.6）；亚音速段左右两侧分别有两段圆弧和它们中间一段直线组成：左侧为第五圆弧S5（半径28mm，圆心（31.5,50.6））、第七圆弧S7（半径37mm，圆心（-30.7,20.1））和中间一段直线；右侧为第六圆弧S6（半径37.1mm，圆心（-15,30.6））、第八圆弧S8（半径54mm，圆心（-30.7,20.1））和中间一段直线；

碘喷管通道壁面型线为：其左右两侧壁面型线关于y轴对称；喉道宽度为1mm；扩张段由左右两条对称斜线形成，其沿流向长度为10mm，出口宽度5.4mm；收缩段左右两侧分别由一段斜线、一端直线和一个1/4圆弧组成；其中斜线沿气体流向长度为5mm；两段直线间距5mm；圆弧直径5mm，圆弧圆心坐标为（0,25.6）。

喷管主体内部空腔在z轴方向的长度视所匹配的氧碘化学激光器的流量条件而定，具体计算公式为：

$\left|z\right|=\frac{A_t}{2D_h}=\frac{\stackrel{.}{m}\sqrt{T_0}}{K_{\mathrm{mix}}{P}_0}$

式中，|Z|—喷管主体沿z轴长度；D_h—氧气喷管喉道宽度；—单重态氧发生器的输出气流总质量流量；T₀—气流总温；P₀—气流总压；K_mix—单重态氧发生器输出气流的总流量系数；

氧气喷管设计出口马赫数为2.16；碘喷管设计出口马赫数为3.21；

扰动翼片位于氧气喷管和碘喷管出口分界处，并向碘喷管内部倾斜；扰动翅片的主要作用是产生流向涡旋，以增强氧气流和碘其流动的混合。扰动翼片长度与喷管主体内腔长度相同；方齿宽度和间距相同，扰动翼片固定在碘喷管出口处，其平面与气流方向夹角为碘出口气流马赫数对应的马赫角。

扰动翼片固定在碘喷管出口处后，将每个方齿按顺时针或逆时针同向扭转45°，使每个方齿都变成一个连续的旋转弧面，以提高其横向扰动效果。

为了实现上述设计思路，在喷管模块加工过程中设计了一个合适的工艺流程：【1】用线切割对喷管模块尺寸对应的方体按照喷管的设计线型进行线切割。线切割沿z轴方向完全穿透，为了壁面氧碘喷管在线切割后解体，在下料时上下各预留了5mm的厚度（如图9所示）；【2】用线切割的下脚料，按照设计要求切出厚度为2mm的氧喷管堵板和碘喷管堵板；【3】把氧喷管堵板和碘喷管堵板焊接在氧喷管和碘喷管相应的封堵位置；【4】用线切割切除前面预留的上下各5mm的多余部分。【5】按照设计要求，焊接碘蒸气及其载气的进气结构的过渡段-1、过渡段-2、快速卡套接头。【6】按照设计要求，焊接上法兰和下法兰。

附图说明

图1.喷管总体图；

1：喷管主体；2：上法兰；3：下法兰；4：氧气喷管；5：碘喷管；

6：加热孔；7：扰动翼片；

图2.喷管主体图；

图3.氧喷管通道壁面型线；

S1:第一圆弧；S2:第二圆弧；S3:第三圆弧；S4:第四圆弧；S5:第五圆弧；

S6:第六圆弧；S7:第七圆弧；S8:第八圆弧；

图4.碘喷管通道型线；

I1：碘喷管出口；I2：碘喷管扩展段；I3：碘喷管喉道；

I4：碘喷管收缩段；

图5.氧喷管进气方向与侧面堵板示意图；

8：氧喷管侧面堵板；

图6.碘喷管进气方向与侧面堵板示意图；

9：碘喷管侧面堵板；

图7.碘蒸气及其载气的进气结构；

10：过渡段-1；11：过渡段-2；12：快速卡套接头；

图8.扰动翼片；

图9.喷管主体线切割示意图。

本发明的有益效果是：

本本发明涉及一种平行流超音速氧碘混合喷管，用于超音速注碘的氧碘化学激光器出光运行或平行流超音速混合流场的实验研究。本发明所涉及喷管采用特殊的扰动翼片对超音速氧碘气流混合起到了很好的增强作用，同时氧碘气流采用超音速平行流混合方式，这为氧碘化学激光器的高效运行提供了可能。此外，本喷管模块对上法兰进行了下沉设计，使得氧碘超音速混合流场从喷管出口开始可见，为氧碘超音速混合流场实验研究提供了便利。

具体实施方式

一种平行流超音速氧碘混合喷管，用于超音速注碘的氧碘化学激光器出光运行或平行流超音速混合流场的研究。其主要组成部分为（图1）：喷管主体1、上法兰2、下法兰3、氧气喷管4、碘喷管5、加热孔6、扰动翼片7。

于氧气喷管4入口和氧气喷管4出口的喷管主体1上分别设有上法兰（2）和下法兰3，上法兰采用下沉设计，即上法兰与主体连接面位于喷管出口平面下方；这样在与上方测试段连接时，可以使得测试段的窗口最低可视面与喷管出口平齐，以方便流场测试研究；下法兰3与单重态氧发生器连接。

喷管主体1的外形为长方体，于其内部沿长度方向设有条状空腔，由喷管主体1内部空腔构成氧气喷管4，喷管主体1高度方向的下端设有氧气喷管4入口、高度方向的上端设有氧气喷管4出口，碘喷管5沿喷管主体1的长度方向置于喷管主体1内部空腔中，碘喷管5将喷管主体1的内部空腔沿喷管主体1的宽度方向分隔成二个平行的互不连通的氧气喷管通道；碘喷管5为密闭的中空条状体，其特征在于：

碘喷管5为收缩-扩张喷管，喷管的碘出口位于靠近氧气喷管4出口一侧的碘喷管5壁面上；

靠近氧气喷管4出口一侧的碘喷管5内腔为扩张段、靠近氧气喷管4入口一侧的碘喷管5内腔为收缩段；

沿喷管主体1的长度方向、于碘喷管5的两端壁面上设有与碘喷管5内部收缩段所处空腔相连的碘入口；

沿喷管主体1的长度方向，于碘出口处的碘喷管5壁面上设有扰动翼片7；

扰动翼片7为上端带有方齿结构的条状体，条状体上的方齿向碘出口倾斜；

沿喷管主体1的长度方向、于碘喷管5内部收缩段所处空腔的壁面上设有加热孔6，加热孔6内设置有电加热管，以防止碘蒸气在喷管壁面凝结。

喷管主体的外形为一长方体，建立坐标系，以喷管主体的宽度方向为x轴，高度方向为y轴，长度方向为z轴，其中圆点o位于喷管主体下方氧气喷管4入口面的几何中心；

基于上述坐标系，喷管主体关于yoz平面轴对称；其中氧气喷管有两个关于yoz平面对称通道；碘喷管有一个通道，位于氧喷管两个通道中间，且关于yoz平面对称；氧气喷管出口与碘喷管出口平齐，且出口气流平行。

氧气喷管4右侧通道壁面型线从氧气喷管4出口到入口为：超音速段由两段半径均为56.16mm的圆弧（第一、第二圆弧S1、S2）形成，其圆心坐标分别为（-45.2,75.6）和（59.4,75.6）；喉道由两段半径均为4mm的圆弧（第三、第四圆弧S3、S4）形成，其圆心坐标分别为（1.1,60.6）和（13.1,60.6）；亚音速段左右两侧分别有两段圆弧和它们中间一段直线组成：左侧为第五圆弧S5（半径28mm，圆心（31.5,50.6））、第七圆弧S7（半径37mm，圆心（-30.7,20.1））和中间一段直线；右侧为第六圆弧S6（半径37.1mm，圆心（-15,30.6））、第八圆弧S8（半径54mm，圆心（-30.7,20.1））和中间一段直线；

碘喷管（5）通道壁面型线为：其左右两侧壁面型线关于y轴对称；喉道I3宽度为1mm；扩张段I2由左右两条对称斜线形成，其沿流向长度为10mm，出口I1宽度为5.4mm；收缩段I4左右两侧分别由一段斜线、一端直线和一个1/4圆弧组成；其中斜线沿气体流向长度为5mm；两段直线间距5mm；圆弧直径5mm，圆弧圆心坐标为（0,25.6）。

喷管主体内部空腔在z轴方向的长度视所匹配的氧碘化学激光器的流量条件而定，具体计算公式为：

$\left|z\right|=\frac{A_t}{2D_h}=\frac{\stackrel{.}{m}\sqrt{T_0}}{K_{\mathrm{mix}}{P}_0}$

式中，|z|—喷管主体沿z轴长度；D_h—氧气喷管喉道宽度；—单重态氧发生器的输出气流总质量流量；T₀—气流总温；P₀—气流总压；K_mix—单重态氧发生器输出气流的总流量系数；

氧气喷管设计出口马赫数为2.16；碘喷管设计出口马赫数为3.21；

扰动翼片7位于氧气喷管和碘喷管出口分界处，并向碘喷管内部倾斜；扰动翅片的主要作用是产生流向涡旋，以增强氧气流和碘其流动的混合。

扰动翼片7长度与喷管主体内腔长度相同；方齿宽度和间距相同，扰动翼片固定在碘喷管出口处，其平面与气流方向夹角为碘出口气流马赫数对应的马赫角。

扰动翼片7固定在碘喷管出口处后，将每个方齿按顺时针或逆时针同向扭转45°，使每个方齿都变成一个连续的旋转弧面，以提高其横向扰动效果。具体操作加工工艺流程：

【1】用线切割对喷管模块尺寸对应的方体按照喷管的设计线型进行线切割。线切割沿z轴方向完全穿透，为了壁面氧碘喷管在线切割后解体，在下料时上下各预留了5mm的厚度（如图9所示）。

【2】用线切割的下脚料，按照设计要求切出厚度为2mm的氧喷管堵板（8）和碘喷管堵板（9）；

【3】把氧喷管堵板（8）和碘喷管堵板（9）焊接在氧喷管和碘喷管相应的封堵位置；

【4】用线切割切除前面预留的上下各5mm的多余部分。

【5】按照设计要求，焊接碘蒸气及其载气的进气结构的过渡段-1（10）、过渡段-2（11）、快速卡套接头（12）。

【6】按照设计要求，焊接上法兰（2）和下法兰（3）。

Claims (8)

1.一种平行流超音速氧碘混合喷管，包括

喷管主体(1)的外形为长方体，于其内部沿长度方向设有条状空腔，由喷管主体(1)内部空腔构成氧气喷管(4)，喷管主体(1)高度方向的下端设有氧气喷管(4)入口、高度方向的上端设有氧气喷管(4)出口，碘喷管(5)沿喷管主体(1)的长度方向置于喷管主体(1)内部空腔中，碘喷管(5)将喷管主体(1)的内部空腔沿喷管主体(1)的宽度方向分隔成二个平行的互不连通的氧气喷管通道；碘喷管(5)为密闭的中空条状体，其特征在于：

碘喷管(5)为收缩-扩张喷管，喷管的碘出口位于靠近氧气喷管(4)出口一侧的碘喷管(5)壁面上；

靠近氧气喷管(4)出口一侧的碘喷管(5)内腔为扩张段、靠近氧气喷管(4)入口一侧的碘喷管(5)内腔为收缩段；

沿喷管主体(1)的长度方向、于碘喷管(5)的两端壁面上设有与碘喷管(5)内部收缩段所处空腔相连的碘入口；

沿喷管主体(1)的长度方向，于碘出口处的碘喷管(5)壁面上设有扰动翼片(7)；

扰动翼片(7)为上端带有方齿结构的条状体，条状体上的方齿向碘出口倾斜；

沿喷管主体(1)的长度方向、于碘喷管(5)内部收缩段所处空腔的壁面上设有加热孔(6)，加热孔(6)内设置有电加热管，以防止碘蒸气在喷管壁面凝结。

2.按照权利要求1所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：

于氧气喷管(4)入口和氧气喷管(4)出口的喷管主体(1)上分别设有上法兰(2)和下法兰(3)，上法兰采用下沉设计，即上法兰与主体连接面位于喷管出口平面下方；这样在与上方测试段连接时，可以使得测试段的窗口最低可视面与喷管出口平齐，以方便流场测试研究；

下法兰与单重态氧发生器连接。

3.按照权利要求1所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：

喷管主体的外形建立坐标系，以喷管主体的宽度方向为x轴，高度方向为y轴，长度方向为z轴，其中圆点o位于喷管主体下方氧气喷管(4)入口面的几何中心；

基于上述坐标系，喷管主体关于yoz平面轴对称；其中氧气喷管有两个关于yoz平面对称通道；碘喷管有一个通道，位于氧喷管两个通道中间，且关于yoz平面对称；氧气喷管出口与碘喷管出口平齐，且出口气流平行。

4.按照权利要求2所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：

氧气喷管(4)右侧通道壁面型线从氧气喷管(4)出口到入口为：超音速段由两段半径均为56.16mm的第一圆弧、第二圆弧S1、S2形成，其圆心坐标分别为(-45.2,75.6)和(59.4,75.6)；喉道由两段半径均为4mm的第三圆弧、第四圆弧S3、S4形成，其圆心坐标分别为(1.1,60.6)和(13.1,60.6)；亚音速段左右两侧分别有两段圆弧和它们中间一段直线组成：左侧为第五圆弧S5(半径28mm，圆心(31.5,50.6))、第七圆弧S7(半径37mm，圆心(-30.7,20.1)和中间一段直线；右侧为半径37.1mm，圆心(-15,30.6)第六圆弧S6、半径54mm，圆心(-30.7,20.1)的第八圆弧S8和中间一段直线；

所有圆弧与圆弧和圆弧与直线的连接均为相切平滑连接。

5.按照权利要求3所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：

碘喷管(5)通道壁面型线为：其左右两侧壁面型线关于y轴对称；喉道(I3)宽度为1mm；扩张段(I2)由左右两条对称斜线形成，其沿流向长度为10mm，出口(I1)宽度5.4mm；收缩段(I4)左右两侧分别由一段斜线、一端直线和一个1/4圆弧组成；其中斜线沿气体流向长度为5mm；两段直线间距5mm；圆弧直径5mm，圆弧圆心坐标为(0,25.6)。

6.按照权利要求3所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：

喷管主体内部空腔在z轴方向的长度视所匹配的氧碘化学激光器的流量条件而定，具体计算公式为：

$\left|z\right|=\frac{A_t}{2D_h}=\frac{\stackrel{\·}{m}\sqrt{T_0}}{K_{mix}{P}_0}$

式中，|z|—喷管主体沿z轴长度；D_h—氧气喷管喉道宽度；—单重态氧发生器的输出气流总质量流量；T₀—气流总温；P₀—气流总压；K_mix—单重态氧发生器输出气流的总流量系数；

氧气喷管设计出口马赫数为2.16；碘喷管设计出口马赫数为3.21；

扰动翼片(7)位于氧气喷管和碘喷管出口分界处，并向碘喷管内部倾斜；扰动翅片的主要作用是产生流向涡旋，以增强氧气流和碘其流动的混合。

7.按照权利要求1所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：

扰动翼片(7)长度与喷管主体内腔长度相同；方齿宽度和间距相同，扰动翼片固定在碘喷管出口处，其平面与气流方向夹角为碘出口气流马赫数对应的马赫角。

8.按照权利要求1所述的平行流超音速氧碘混合喷管，其特征在于：扰动翼片(7)固定在碘喷管出口处后，将每个方齿按顺时针或逆时针同向扭转45°，使每个方齿都变成一个连续的旋转弧面，以提高其横向扰动效果。